Снижение себестоимости выработки электроэнергии при заданном уровне надежности является основной задачей энергетики. Поэтому для гидроагрегатов применяют повышенные требования к надежности их эксплуатации, к его коэффициенту полезного действия, к количеству оборотов в секунду лопастей гидротурбины, неизменной частоты выходного тока. Гидроагрегаты гидроэлектростанций являются многорежимными машинами, в которых происходят нелинейные динамические процессы. Существующие системы автоматического управления гидроагрегатами ГЭС выполнены на основе линейных моделей элементов гидроагрегата и оснащены ПИД-регуляторами с постоянными параметрами. Поэтому системы автоматического управления гидроагрегатами не обеспечивают максимальные к.п.д. и надежность их работы. Натурные энергетические испытания гидроагрегатов Днепровской ГЭС показали следующее:
- превышение допустимого значения перерегулирования частоты вращения ротора гидроагрегата и степени открытия направляющего аппарата;
- наличие девиации частоты выходного тока в пределах 0.5%;
- высокая инерционность вращения лопастей гидротурбины;
- уменьшение к.п.д.
гидроагрегатов вблизи границ рабочего диапазона нагрузки на генератор, из-за увеличения гидравлических потерь в рабочем колесе гидротурбины.
Это приводит к увеличению динамических нагрузок на гидроагрегат и вероятности его отказов в межремонтный период в связи с быстрым износом оборудования. С другой стороны, развитие техники и компьютерных технологий привело к поэтапной замене аналоговых систем управления микропроцессорными системами.
1. Актуальность темы
Существующие микропроцессорные системы управления гидроагрегатами реализуют способы регулирования, разработанные для аналоговых систем, и поэтому не обеспечивают максимальные к.п.д. и надежность работы гидроагрегата.
Кроме того, гидроагрегаты различных станций отличаются друг от друга, поэтому существует потребность в методах настройки регуляторов дял целого класса обьектов.
2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
Целью исследования является исследование и разработка метода настройки регулятора гидроагрегата, что, в свою очередь, скажется на снижении затрат на управление и повышение к.п.д. обьекта.
Основные задачи исследования:
- Изучить САУ гидроагрегатами и ее особенности.
- Провести анализ обьекта исследования, чтобы обосновать необходимость исследований в данной области.
- Провести анализ существующих методов настройки.
- Выявить проблемы в использовании существующих методах.
- Разработка альтернативного метода и оценка его эффективности.
Объект исследования : Гидроэлектростанции.
Филипас 1. Термодинамическое исследование скважин
... пласта для определения его параметров. Эти исследования также можно применять и для изучения газовых скважин. 1. Термодинамическое исследование скважин. Известно, что колебания температуры на земной ... геотерма. Термограмма - распределение температуры в работающей скважине имеет отклонения от геотермы, которые связаны с термодинамическими и гидродинамическими процессами, происходящими в продуктивном ...
Предмет исследования : Исследование методов управления гидроагрегатами гидроэлектростанций.
В рамках магистерской работы планируется получение актуальных научных результатов по следующим направлениям:
- Исследование процессов автоматизации агрегатов ГЭС.
- Анализ и техническое обоснование преобладания разрабатываемого метода над существующими.
- Экономическая обоснованность необходимости внедрения нового метода настройки регулятора.
Для экспериментальной оценки полученных теоретических результатов и формирования соответствующих выводов о целесообразности проводимого исследования планируется осуществить следующее:
- Получение математического описания гидроагрегатов.
- Получение модели системы автоматического управления.
- Сравнительный анализ получаемых результатов.
3. Обзор исследований и разработок
Поскольку автоматическое управление гидроагрегатами является важной частью задачи автоматизации промышленности, то проблемы поиска оптимального метода были широко исследованы как американскими, европейскими, японскими учеными, так и отечественными специалистами. Данной проблеме посвящено множество статей и других научных работ, на которые следует обратить внимание.
3.1 Обзор международных источников
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/gidroagregatyi/
Основы управления различными гидроагрегатами многомощных гидроэлектростанций были описаны в работе Девида Рашмора [ 1 ]. Также в этой работе были затронуты вопросы актуальности исследований в данной области, азы всей теоретической базы. Также следует отметить работу Е. Ирвинга и А. Лабо[2 -3 ].
Проблемой автоматизации ГЭС занимались комисcии по расследованию аварии на Саяно-Шушенской ГЭС. Данная работа представляет собой анализ существующих проблем. А.Х. Мурсаева, Е.П. Угрюмова [ 4 ].
В монографии Секретаревa Ю.А., Диденко С.А., Караваевa А.А., Мошкинa Б.Н. [ 5 ] изложенo описание ситуационного управления гидроэлектростанциями. Приводятся схемы моделирование и сравнительный анализ наиболее часто используемых методов.
Автоматическим регулированием частотой вращения лопастей гидротурбины, а также перетоков активной мощности в разное время занимались многие известные ученые. Подходы к решению этой задачи в разное время разрабатывались и совершенствовались Мольковым С.А. и Я. Евдокимовой [ 8 , 9 ]; Щербиной Ю.В., Мольковым С.А., [10 ]; Баталовым А.Г. (использование перетоков мощности в автоматическом регулировании) [11 ]; Зарембо В.Э (повышение надежности САУ на базе ЭВМ) [12 ].
Надежность работы гидроагрегатов была исследована в работе Жданович А.А., Секретарев Ю.А. [ 6 ].
В работе Руи Джуна был рассмотрен метод оптимального управления. В ходе исследования активно использовался пакет моделирования Matlab. В частности, была построена модель маслонапорной установки [ 7 ].
Управление производственной мощностью
... периода. Под выходной мощностью (Мк) понимают производственную мощность предприятия на конец планового периода, которая определяется по формуле: Мк=Мн+Мс+Мр+Мп+Миз-Мв, (1.1.1) где Мн - производственная мощность на начало периода; Мс - ввод мощности в результате строительства; ...
3.2 Обзор национальных источников
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/gidroagregatyi/
Группой исследователей под руководством Поташкин С.И. (Председатель Правления ОАО «Укргидроэнерго») были детально изложены теоретические основы управления гидроагрегатами, предложенa своя система автоматического управления для Днепровской гидроэлектростанции. Данная статья хороша тем, что в ней присутствуют принципиальные и структурные схема САУ. [ 13 ]
Киевские исследователи (Киевский политехнический институт) также занимаются вопросом управления гидроагрегатами. Захарченко В.Е. занимается oценкой достоверности информационного обеспечения АСУТП гидроагрегата на основе функционально-ориентированных нечетких математических моделей[ 14 ]. Также проводились исследования в сфере управления гидроэлектростанциями на основе нечетких множеств.[15 -16 ]
3.3 Обзор локальных источников
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/gidroagregatyi/
В Донецком национальном техническом университете магистрантом Вобликов С.А. проводились исследования надежности и характеристик неисправностей гидроагрегатов. [ 17 ]
В докладах студенческих конференций также поднимались вопросы методов управления гидроагрегатами. Выступления молодых специалистов явно подчеркнули имеющиеся проблемы в области автоматизации. Были предложение некие технические решения[ 18 ].
Задачей управления автоматической нагрузкой электростанций (в данной случае тепловой) занимался магистрант ДонНТУ Сердюк В.А. [ 19 ]. Автор предлагает использовать метод прогнозирования для управления, решать задачу оперативного управления перетоками нагрузки.
Анализ методов управления гидроагрегатами.
Существующие способы управления лопастями рабочего колеса поворотнолопастной гидротурбины основаны на управлении по открытию направляющего аппарата с коррекцией по напору ГЭС. Такое управление имеет ряд недостатков.
Управление осуществляется по напору ГЭС отличающемуся от напора гидротурбины, что органически вносит погрешность, которая может быть существенной.
Сигнал по напору определяется с помощью замеров уровней нижнего и верхнего бьефов и передается на большое расстояние к агрегатам, что вносит дополнительную погрешность и снижает надежность работы системы управления.
Не учитываются потери в водозаборных решетках и в водоводах.
В рассматриваемом методе управления в основу положено регулирование по открытию направляющего аппарата и активной мощности гидроагрегата, что исключает вышеперечисленные недостатки. Вместе с тем, при неизменных значениях напора и частоты вращения каждому открытию направляющего аппарата на универсальной характеристике соответствует одно оптимальное значение угла установки лопастей рабочего колеса, а, следовательно, и одно значение мощности. Следовательно, для каждого напора существует одна оптимальная кривая зависимости мощности от открытия направляющего аппарата. Кривая представлена на рисунке 1:
Оптимизация управления гидроагрегатом при изменении нагрузки.
Одним из достоинств использования гидроагрегатов является, несомненно, высокая маневренность, которая, в свою очередь, не только от технических параметров используемого агрегата, но также от свой автоматической системы управления и регулирования В свою очередь, в некоторых случаях требуется настроить регулятор таким образом, при котором быстродействие системы было невелико Повысить его можно, если управляющий сигнал предварительно сформировать по определенному закону. Необходимость оптимального управления заключается в том, что частота вырабатываемого тока генераторами прямым образом зависит от частоты вращения турбины. Таким образом, нивелировав девиацию частоты вращения турбины, мы значительно уменьшим частоты вырабатываемого тока. На рисунке 2 представлена зависимость выходного тока от частоты вращения гидротурбины:
Оптимизация конструкции лонжерона лопасти несущего винта вертолета
... [2]. Целью данного дипломного проекта является: оптимизация конструкции лонжерона лопасти несущего винта вертолета. Подбор оптимальной конструкции будет осуществляться с использованием персонального компьютера и ... заданного аэродинамического профиля поверхности лопасти. Следствием низкой изгибной и крутильной жесткости может стать потеря эффективности управления вертолетом, когда из-за изгиба ...
Метод упреждающего управления
Построение точных прогнозирующих моделей для сложных технологических комплексов является весьма объемной и труднорешаемой задачей. Реально, во многих случаях, подобные модели обладают недостаточной точностью оценки показателей эффективности, требуемой в соответствии с технологическимирегламентами. Поэтому применение известных методов управления, основанных на построении точных прогнозирующих моделей ТОУ, для эффективного управления сложными технологическими процессами имеют определенные ограничения. В этой связи актуальной проблемой является разработка подхода к управлению, который основывается на упреждающих оценках эффективности процессов, получаемых не на прогнозирующих моделях, заданных на основе ранее проведенных исследований, а исходя из непосредственных измерений.
Метод адаптивного управления
Метод адаптивного управления перетоками активной мощности и частоты вращения гидротурбины можно отнести к способам адаптивного управления. Управление производится за счет изменения величины открытия направляющего аппарата (НА), а также угла наклона лопастей гидротурбины. Управляющее воздействие на НА поступает на сервомоторы, которое, в свою очередь, формируется с помощью регулятора активной мощности по алгоритму, который составляется с использованием математической модели агрегата. В модель включают регрессионные уравнения, описывающие нелинейные зависимости мощности турбины и перепада давления в расходомерном створе турбины от величины открытия НА и угла установки лопастей рабочего колеса. Параметры модели вычисляют с помощью рекурентного алгоритма метода наименьших квадратов. Данный метод направлен на обеспечение минимальной среднеквадратической погрешности управления активной мощностью гидроагрегата при минимальном расходе воды и минимальной мощности, затраченной на управление. Управляющие воздействия на сервомоторы механизмов открытия направляющего аппарата и разворота лопастей рабочего колеса формируют по алгоритмам, которые составляют с применением модели гидроагрегата, содержащей комбинаторную зависимость и основное энергетическое уравнение гидроагрегата с поворотно-лопастной турбиной. Управляющее воздействие u_1 (t) на сервомотор механизма разворота лопастей рабочего колеса формируют в электронном или цифровом преобразователе (комбинаторе) по одинаковой для всех гидроагрегатов одного типа, установленных на многоагрегатной ГЭС, зависимости требуемого угла установки лопастей f_mpот статического напора H_cm и величины открытия направляющего аппарата s(t) турбины (комбинаторной зависимости):
Управление дорожными машинами через «GPS»
... рукояток управления гидрораспределителей. В состав системы входит 6 гидрораспределителей с ручным управлением, обеспечивающих управление основным рабочим ... земляных работ имеют дорожно-строительные машины мощностью до 150 кВт. Чтобы в полной мере реализовать ... предупреждения оператора. Рулевое управление автогрейдера ГС-25.09: Рулевое управление передними колесами с гидростатическим приводом, ...
Комбинаторную зависимость (1) определяют по результатам экспериментальных исследований макета поворотно-лопастной турбины. Расход воды Q вычисляют по уравнению:
- где op — перепад давления в расходомерном створе турбины;
- b_0 — показатель степени, величину которого для бетонных спиральных камер прямоугольного сечения выбирают из диапазона (0,48-0,52);
- b_1 — тарировочный коэффициент, величину которого определяют методом подобия (индексным методом) по заводской эксплуатационной характеристике. В уравнение (1) откорректированной комбинаторной зависимости включают комбинации указанных переменных, обеспечивающие максимальный кпд турбины, который определяют расчетным путем (индексным методом) по основному энергетическому уравнению гидроагрегата с поворотно-лопастной турбиной:
- где M_дв — момент движущих сил, создаваемый потоком воды на лопастях рабочего колеса;
- n — к.п.д. гидроагрегата, с помощью которого оценивают величину механических и электромагнитных потерь в турбине и генераторе;
- a_1 — угол между вектором окружной скорости и вектором абсолютной скорости потока воды на входной кромке лопасти рабочего колеса в расчетном сечении при заданной величине открытия направляющего аппарата s;
- b_p — расчетный угол установки лопастей рабочего колеса;
- a угол разворота лопастей рабочего колеса (угол отклонения лопастей рабочего колеса от расчетного угла установки);
- p — плотность воды;
- D — максимальный диаметр рабочего колеса;
- d — диаметр втулки рабочего колеса.
Оценку эффективности и работоспособности как действующих, так и разрабатываемых алгоритмов управления, а также оптимизацию настроек системы регулирования целесообразнее проводить с использованием методов математического моделирования, что позволит повысить уровень информационной насыщенности об объекте управления и, тем самым, увеличить качественные показатели продукции и эффективность управления энергетическим объектом. В связи с этим, задача разработки алгоритмических и аппаратных средств исследования, реализации и настройки системы управления гидроагрегатом является актуальной. Целью работы является разработка алгоритмических и аппаратных средств исследования, реализации и настройки цифровой многофункциональной системы автоматического управления радиально-осевой гидротурбиной, позволяющих проводить предварительную настройку САУ на предприятии-изготовителе, сокращать время пуско-наладочных работ и приемо-сдаточных испытаний системы на ГЭС.
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2013 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
Список источников
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/gidroagregatyi/
- Rashmor D. HYDRO ELECTRIC POWER STATIONS / Rashmor D. // NEW YORK, JOHN WILEY & SONS. – 1923. – 611 c.
- Гилл А. Введение в теорию конечных автоматов / А. Гилл. – М.: Наука, 1966. – 272 с.
- А. Лабо Classical/advanced controls for hydraulicpower plants, 2004. — 414 c.
- Акт технического расследования причин аварии, произошедшей 17.08.2009 в филиале ОАО «РусГидро» – «Саяно-Шушенская ГЭС имени П.С. Непорожнего»: Доклад Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор)// http://www.gosnadzor.ru/
- Хопкрофт Д. Введение в теорию автоматов, языков и вычислений / Д. Хопкрофт, Р. Мотвани, Д. Ульман. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2002. – 528 с.
- Жданович А.А., Секретарев Ю.А. Исследование параметров эксплуатационной надежности гидроагрегата с помощью теории нечетких множеств //Научный Вестник НГТУ. 2010. No1. С. 145-159
- Rui Jun. Optimal regulation control system for cascade hydropower stations/ Rui Jun. – 2009. – 358 с.
- Мальков С.А. Автоматическое регулирование перетоков активной мощности в сложных энергообъединениях/ Мальков С.А. – К.: Издательский дом «Вильямс», 1991. – 320 с.
- Уэйкерли Д. Проектирование цифровых устройств / Д. Уэйкерли. – М.: Постмаркет, 2002. – Том 2. – 528 с.
- Щербина Ю.В., Мальков С.А. Цифровая имитационная модель энергообъединения в пространстве состояния как объекта автоматического регулирования частоты и перетоков активной мощности. -Киев, 1989. — 20с. — Деп. в УкрНШНТИ 25.05.89 № 1379-УК89
- Баталов А.Г., Мольков А.Н., Мальков С.А. Использование в автоматическом регулировании частоты и активной мощности перевода агрегатов ГЭС в генераторный режим// Электрические станции. -1989. -¦№ 2, — С.63-66.
- Зарембо В.Э., Мольков С.Л. Повышение надежности систем автоматического регулирования частоты и активной мощности на базе ЭВМ// Энергетика и электрификация. — 1990. -. № I. — С.40-42.
- Поташник С.И., Рассовский В.Л., Жук А.П., Мартинчик В.Ф., Бондаренко Ю.Н., Пуск первого агрегата Днепровской ГЭС., 2009. — 42 с.
- Nelson V. Digital logic circuit analysis and design / V. Nelson, H. Nagle, J. Irwin, B. Carroll. – Prentice Hall, 1995. – 842 pp.
- Штовба С.Д. Проектирование нечетких систем средствами MATLAB., 2007. — 370с.
- Калмыков С.А., Шокии Ю.И., Юлдашев З.Х. Методы интервального анализа, 2006. — 223 с.
- Вобликов С.А. Повышение износостойкости деталей машин методом поверхностной пластической деформацией с учетом функционального назначения поверхностей и участков поверхностей [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http:// …
- Материалы ХII международной научно-технической конференции АС ПГП [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://http://donntu.org …
- Сердюк В.А. Разработать автоматизированную систему оперативного управления энергетической нагрузкой в условиях Кураховской ТЭС [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://http:// …
