ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Зниження собівартості вироблення електроенергії при заданому рівні надiйностi є основним завданням енергетики. Тому для гідроагрегатів застосовують підвищені вимоги до надiйності їх експлуатації, до його коефіцієнту корисної дії, до кількості оборотів в секунду лопатей гідротурбіни, незмінною частоти вихідного струму. Гідроагрегати гідроелектростанцій є багаторежимна машинами, в яких відбуваються нелінійні динамічні процеси. Існуючі системи автоматичного управління гідроагрегатами ГЕС виконані на основі лінійних моделей елементів гідроагрегату і оснащені ПІД-регуляторами з постійними параметрами. Тому системи автоматичного управління гідроагрегатами не забезпечують максимальні к.к.д. і надiйнiсть їх роботи. Натурні енергетичні випробування гідроагрегатів Дніпровської ГЕС показали наступне:

- перевищення допустимого значення перерегулювання частоти обертання ротора гідроагрегату і ступеня відкриття направляючого апарату;

— наявність девіації частоти вихідного струму в межах 0.5%;

— висока інерційність обертання лопатей

гідротурбіни;

— зменшення к.к.д. гідроагрегатів поблизу кордонів робочого діапазону навантаження на генератор, через збільшення гідравлічних втрат в робочому колесі гідротурбіни.

Це призводить до збільшення динамічних навантажень на гідроагрегат та ймовірності його відмов у міжремонтний період, у зв'язку з швидким зносом обладнання. З іншого боку, розвиток техніки і комп'ютерних технологій призвело до поетапної заміни аналогових систем управління мікропроцесорними системами.

1. Актуальність теми

Існуючі мікропроцесорні системи управління гідроагрегатами реалізують способи регулювання, розроблені для аналогових систем, і тому не забезпечують максимальні к.к.д. і надійність роботи гідроагрегату.

Крім того гідроагрегати різних станцій відрізняються один від одного, тому існує потреба в методах насстройкі регуляторів дял цілого класу об'єктів.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Метою дослідження є дослідження та розробка методу налаштування регулятора гідроагрегату, що в свою чергу позначиться на зниженні витрат на управління і підвищення к.к.д. об'єкта.

Основні задачі дослідження:

  1. Вивчити САУ гідроагрегатами та її особливості
  2. Провести аналіз об'єкту | дослідження, щоб обгрунтувати необхідність досліджень в даній області.
  3. Провести аналіз існуючих методів налаштування.
  4. Виявити проблеми у використанні існуючих методах.
  5. Розробка альтернативного методу і оцінка його ефективності.

Об'єкт дослідження: Гідроелектростанці

Предмет дослідження: дослідження методів управління гідроагрегатами гідроелектростанцій.

В рамках магістерської роботи планується отримання актуальних наукових результатів по наступним напрямкам:

  1. Дослідження процессів автоматизації агрегатів ГЕС
  2. Аналіз і технічне обгрунтування переваги розроблюваного методу над існуючими.
  3. Економічна обгрунтованість необхідності впровадження нового методу налаштування регулятора.

Для експериментальної оцінки отриманих теоретичних результатів і формування відповідних висновків про доцільність проведеного дослідження планується здійснити наступне:

  1. Отримання математичного опису гідроагрегатів.
  2. Отримання моделі системи автоматичного управління.
  3. Порівняльний аналіз отриманих результатів.

3. Огляд досліджень і розробок

Оскільки автоматичне керування гідроагрегатами є важливою частиною завдання автоматизації промисловості, то проблеми пошуку оптимального методу були широко досліджені як американськими, європейськими, японськими вченими, так і вітчизняними фахівцями. Даній проблемі присвячено безліч статей та інших наукових робіт, на які слід звернути увагу.

3.1 Огляд міжнародних джерел

Основи управління різними гідроагрегатами многомощних гідроелектростанцій були описані в роботі Девіда Рашмора [1]. Також в цій роботі були порушені питання актуальності досліджень в даній області, ази всій теоретичної бази. Також слід відзначити роботу Е.Ірвінга і А.Лабо [ 2 — 3 ].

Проблемою автоматизації ГЕС займалися коммисии з розслідування аварії на Саяно-Шушенській ГЕС. Дана робота являє собою аналіз існуючих проблем. А.Х. Мурсаева, Є.П. Угрюмова [ 4 ].

У монографії Секретарева Ю.А., Діденко С.А., Караваєва А.А., Мошкіна Б.М. [ 5 ] викладен опис ситуаційного управління гідроелектростанціями. Наводяться схеми моделювання та порівняльний аналіз найбільш часто використовуваних методів.

Автоматичним регулюванням частотою обертання лопастей гідротурбіни, а також перетоків активної потужності в різний час займалися багато відомих учених. Підходи до вирішення цього завдання в різний час розроблялися й удосконалювалися Мольковим С.А. і Я.Евдокімовой [ 8 , 9 ]; Щербиніно Ю.В., Мольковим С.А., [ 10 ]; Баталовим А.Г. (Використання перетоків потужності в автоматичному регулюванні) [ 11 ]; Зарембо В.Е (підвищення надійності САУ на базі ЕОМ) [ 12 ].

Надійність роботи гідроагрегатів була досліджена в роботі Жданович А.А., Секретарьова Ю.А. [ 6 ].

У роботі Руї Джуна був розглянутий метод оптимального управління. У ході дослідження активно використовувався пакет моделювання Matlab. Зокрема була побудована модель маслонапірні установки. [ 7 ]

3.2 Огляд національних джерел

Групою дослідників під керівництвом Поташкіна С.І. (Голова Правління ВАТ "Укргідроенерго") були детально викладені теоретичні основи управління гідроагрегатами, запропонована своя система автоматичного управління для Дніпровської гідроелектростанції. Дана стаття хороша тим, що в ній присутні принципові та структурні схема САУ.[13]

Київські дослідники (Київський політехнічний інститут) також займаються питанням управління гідроагрегатами. Захарченко В.Є. займається оцінкою достовірності інформаційного забезпечення АСУТП гідроагрегату на основі функціонально-орієнтованих нечітких математичних моделей [ 14 ]. Також проводилися дослідження у сфері управління гідроелектростанціями на основі нечітких множин. [ 15 — 16 ]

3.3 Огляд локальних джерел

У Донецькому національному технічному університеті магістрантом Вобліков С.А. проводилися дослідження надійності і характеристик несправностей гідроагрегатів. [ 17 ]

У доповідях студентських конференцій також порушувалися питання методів управління гідроагрегатами. Виступи молодих фахівців явно підкреслили наявні проблеми в області автоматизації. Були пропозиції, деякі технічні рішення. [ 18 ]

Завданням управління автоматичною навантаженням електростанцій (у даній випадку тепловий) займався магістрант ДонНТУ Сердюк В.А. [ 19 ]. Автор пропонує використовувати метод прогнозування для управління, вирішувати завдання оперативного управління перетіканнями навантаження.

Аналіз методів управління гідроагрегатами.

Існуючі способи управління лопастями робочого колеса поворотнолопастні гідротурбіни засновані на управлінні з відкриття направляючого апарата з корекцією по напору ГЕС. Таке управління має ряд недоліків.

Управління здійснюється по напору ГЕС , який відрізняється від напору гідротурбіни, що органічно вносить похибку, яка може бути істотною.

Сигнал по напору визначається за допомогою замірів рівнів нижнього і верхнього бьєфов і передається на велику відстань до агрегатів, що вносить додаткову похибку і знижує надійність роботи системи управління.

Не враховуються втрати в водозабірних гратах і у водоводах.

У розглянутому методі управління в основу положено регулювання по відкриттю направляючого апарату і активної потужності гідроагрегату, що виключає перераховані вище недоліки. Разом з тим, при незмінних значеннях напору і частоти обертання кожного відкриттю направляючого апарату на універсальній характерістиці відповідає одне оптимальне значення кута установки лопатей робочого колеса, а, отже, і одне значення потужності. Отже, для кожного напору існує одна оптимальна крива залежності потужності від відкриття направляючого апарату. Крива представлена на рисунку 1:

Залежність потужності від відкриття направляючого аппарата

Рисунок 1 — Залежність потужності від відкриття направляючого апарату

Оптимізація управління гідроагрегатом при зміні навантаження.

Одним з достоїнств використання гідроагрегатів є, безсумнівно, висока маневреність, яка, в свою чергу,залежить не тільки від технічних параметрів використовуваного агрегату, але також від свій автоматичної системи управління і регулювання У свою чергу, в деяких випадках потрібно налаштувати регулятор таким чином, при якому швидкодію системи було невелике. Підвищити його можна, якщо керуючий сигнал попередньо сформувати за певним законом. Необхідність оптимального управління полягає в тому, що частота струму, що виробляється генераторами, прямим чином залежить від частоти обертання турбіни. Таким чином, знівелювавши девіацію частоти обертання турбінами ми значно зменшимо частоти струму, що виробляється. На рисунку 2 представлена залежність вихідного струму від частоти обертання гідротурбіни:

Прінціп дії гідроагрегатов

Рисунок 2 — принц дії гідроагрегатів (анімація: кількість кадрів — 5, вага анімації — 150Кб, затримка між кадрами — 1с, загальне число повторень — 10, створена за допомогою програмного забезпечення MP GIF Animator)

Метод попереджуючого управління

Побудова точних прогнозуючих моделей для складних технологічних комплексів є досить об'ємною і важкорозв'язуваним завданням. Реально в багатьох випадках подібні моделі володіють недостатньою точністю оцінки показників ефективності, необхідної відповідно з технологическимирегламентами. Тому застосування відомих методів управління, заснованих на побудові точних прогнозуючих моделей ТОУ, для ефективного управління складними технологічними процесами має певні обмеження. У цьому зв'язку актуальною проблемою є розробка підходу до управління, який грунтується на попереджувальних оцінках еффектівностіпроцессов, одержуваних не на прогнозуючих моделях, заданих на основі раніше проведених досліджень, а виходячи з безпосередніх вимірювань.

Оцінку ефективності і працездатності як діючих, так і розроблюваних алгоритмів керування, а також оптимізацію налаштувань системи регулювання, доцільніше проводити з використанням методів математичного моделювання, що дозволить підвищити рівень інформаційної насиченості про об'єкт управління і, тим самим, збільшити якісні показники продукції та ефективність управління енергетичним об'єктом. У зв'язку з цим, задача розробки алгоритмічних і апаратних засобів дослідження, реалізації та налаштування системи управління гідроагрегатом є актуальною. Метою роботи є розробка алгоритмічних і апаратних засобів дослідження, реалізації та налаштування цифрової багатофункціональної системи автоматичного управління радіально-осьової гідротурбіною, що дозволяють проводити попередню настройку САУ на підприємстві-виробнику, скорочувати час пуско-налагоджувальних робіт та приймально-здавальних випробувань системи на ГЕС.

Метод адаптивного управління

Метод адаптивного управління перетіканнями активної потужності і частоти обертання гідротурбіни можна віднести до способів адаптивного управління. Управління проводиться за рахунок зміни величини відкриття направляючого апарату (НА), а також кута нахилу лопатей гідротурбіни. Керуючий вплив на НА надходить на сервомотори, яке в свою чергу формується за допомогою регулятора активної потужності за алгоритмом, який складається з використання математичної моделі агрегату. У модель включають регресійні рівняння, що описують нелінійні залежності потужності турбіни і перепаду тиску в витратомірного створі турбіни від величини відкриття НА та кута установки лопатей робочого колеса. Параметри моделі обчислюють за допомогою рекурентного алгоритму методу найменших квадратів. Даний метод спрямований на забезпечення мінімальної середньоквадратичної похибки управління активною потужністю гідроагрегату при мінімальному витраті води і мінімальній потужності, витраченої на управління. Керуючі впливи на сервомотори механізмів відкриття направляючого апарату і розвороту лопатей робочого колеса формують за алгоритмами, які складають із застосуванням моделі гідроагрегату, що містить комбінаторну залежність і основне енергетичне рівняння гідроагрегату з поворотно-лопатевої турбіною. Керуючий вплив u_1 (t) на сервомотор механізму розвороту лопатей робочого колеса формують в електронному або цифровому перетворювачі (комбінатор) за однаковою для всіх гідроагрегатів одного типу, встановлених на багатоагрегатного ГЕС, залежно необхідного кута установки лопатей? f_mpот статичного напору H_cm і величини відкриття направляючого апарату s (t) турбіни ( комбінаторної залежності):

Расход води

Комбінаторну залежність (1) визначають за результатами експериментальних досліджень макета поворотно-лопатевої турбіни. Витрата води Q обчислюють за рівнянням:

Основное енергетичне рівняння гідроагрегата

де op-перепад тиску в витратомірного створі турбіни; b_0 - показник ступеня, величину якого для бетонних спіральних камер прямокутного перерізу вибирають з діапазону (0,48-0,52); b_1 — тарувальний коефіцієнт, величину якого визначають методом подібності (індексним методом) за заводською експлуатаційної характеристиці. У рівняння (1) відкоригованої комбінаторної залежності включають комбінації зазначених змінних, забезпечують максимальний ккд турбіни, який визначають розрахунковим шляхом (індексним методом) за основним енергетичного рівняння гідроагрегату з поворотно-лопатевої турбіною:

Велічіна потерь

де M_дв - момент рушійних сил, створюваний потоком води на лопатях робочого колеса; n — ккд гідроагрегату, за допомогою якого оцінюють величину механічних і електромагнітних втрат в турбіні і генераторі;

Велічіна потерь

a_1 — кут між вектором окружної швидкості і вектором абсолютної швидкості потоку води на вхідний кромці лопаті робочого колеса в розрахунковому перетині при заданій величині відкриття направляючого апарату s; b_p — розрахунковий кут установки лопатей робочого колеса;a кут розвороту лопатей робочого колеса (кут відхилення лопатей робочого колеса від розрахункового кута установки); p — щільність води; D — максимальний діаметр робочого колеса; d — діаметр втулки робочого колеса.

Оцінку ефективності і працездатності як діючих, так і розроблюваних алгоритмів керування, а також оптимізацію налаштувань системи регулювання доцільніше проводити з використанням методів математичного моделювання, що дозволить підвищити рівень інформаційної насиченості про об'єкт управління і, тим самим, збільшити якісні показники продукції та ефективність управління енергетичним об'єктом. У зв'язку з цим, задача розробки алгоритмічних і апаратних засобів дослідження, реалізації та налаштування системи управління гідроагрегатом є актуальною. Метою роботи є розробка алгоритмічних і апаратних засобів дослідження, реалізації та налаштування цифрової багатофункціональної системи автоматичного управління радіально-осьової гідротурбіною, що дозволяють проводити попередню настройку САУ на підприємстві-виробнику, скорочувати час пуско-налагоджувальних робіт та приймально-здавальних випробувань системи на ГЕС.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2013 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Список джерел

  1. Rashmor D. HYDRO ELECTRIC POWER STATIONS / Rashmor D. / / NEW YORK, JOHN WILEY & SONS. - 1923. - 611 c.
  2. Гілл А. Введення в теорію кінцевих автоматів / А. Гілл. - М.: Наука, 1966. - 272 с.
  3. А. Лабо Classical / advanced controls for hydraulicpower plants, 2004. - 414 c.
  4. Акт технічного розслідування причин аварії, що сталася 17.08.2009 у філії ВАТ «РусГідро» - «Саяно-Шушенська ГЕС імені П.С. Непорожнего »: Доповідь Федеральної служби з екологічного, технологічного і атомного нагляду (Ростехнагляд) // http://www.gosnadzor.ru/
  5. Хопкрофта Д. Введення в теорію автоматів, мов і обчислень / Д. Хопкрофта, Р. Мотвані, Д. Ульман. - М.: Видавничий дім «Вільямс», 2002. - 528 с.
  6. Жданович А.А., Секретарьов Ю.А. Дослідження параметрів експлуатаційної надійності гідроагрегату за допомогою теорії нечітких множин / / Науковий Вісник НГТУ. 2010. No1. С. 145-159
  7. Rui Jun. Optimal regulation control system for cascade hydropower stations / Rui Jun. - 2009. - 358 с.
  8. Мальков С.А. Автоматичне регулювання перетоків активної потужності в складних енергооб'єднаннями / Мальков С.А. - К.: Видавничий дім «Вільямс», 1991. - 320 с.
  9. Уейкерлі Д. Проектування цифрових пристроїв / Д. Уейкерлі. - М.: Постмаркет, 2002. - Том 2. - 528 с.
  10. Щербина Ю.В., Мальков С.А. Цифрова імітаційна модель енергооб'єднання у просторі стану як об'єкта автоматичного регулювання частоти і перетоків активної потужності. -Київ, 1989. - 20с. - Деп. в УкрНШНТІ 25.05.89 № 1379-УК89
  11. Баталов А.Г., Мольков О.М., Мальков С.А. Використання в автоматичному регулюванні частоти і активної потужності перекладу агрегатів ГЕС у генераторний режим / / Електричні станції. -1989. - | № 2, - С.63-66.
  12. Зарембо В.Е., Мольков С.Л. Підвищення надійності систем автоматичного регулювання частоти і активної потужності на базі ЕОМ / / Енергетика та електрифікація. - 1990. -. № I. - С.40-42.
  13. Поташник С.І., Рассовський В.Л., Жук О.П., Мартінчік В.Ф., Бондаренко Ю.М., Пуск першого агрегату Дніпровської ГЕС ., 2009. - 42 с.
  14. Nelson V. Digital logic circuit analysis and design / V. Nelson, H. Nagle, J. Irwin, B. Carroll. - Prentice Hall, 1995. - 842 pp.
  15. Штовба С.Д. Проектування нечітких систем засобами MATLAB., 2007. - 370с.
  16. Калмиков С.А., Шокіі Ю.І., Юлдашев З.Х. Методи інтервального аналізу, 2006. - 223 с.
  17. Вобліков С.А. Підвищення зносостійкості деталей машин методом поверхневою пластичною деформацією з урахуванням функціонального призначення поверхонь і ділянок поверхонь [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://masters.donntu.ru ...

  18. Матеріали ХII міжнародної науково-технічної конференції АС ПГП [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://http://donntu.ru ...

  19. Сердюк В.А. Розробити автоматизовану систему оперативного управління енергетичної навантаженням в умовах Курахівської ТЕС [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://http://masters.donntu.ru ...