Макромоделирования

Программное обеспечение анализа режимов тепловых сетей на основе

Обобщенная структура разработанного программного обеспечения подсистемы автоматизированного анализа режимов теплоснабжения (ПО САР-Т), отражающая потоки информации между программными модулями и базой данных сервера САР-Т, представлена на рис. 5.5.

ПО САР-Т включает в себя автоматизированную базу данных и следующие программные модули:

1. Модуль взаимодействия сервера базы данных САР-Т с АСДУ теплоснабжения, позволяющий получать данные о параметрах источников и крупных потребителей с приборов учета тепла.

2. Модуль взаимодействия с АИС «Энергопаспорт» для автоматического ввода данных о технико-эксплуатационных показателях, проектных нагрузках потребителей, параметрах и структуре тепловых сетей.

3. Модуль ввода данных экспертных оценок параметров теплоносителя у потребителей, не оборудованных приборами учета.

4. Модуль автоматизированного ввода данных оператором рабочей станции САР-Т суточных архивов теплопотребления с теплосчетчиков мелких потребителей, не подключенных к АСДУ.

5. Модуль идентификации параметров макромоделей тепловых сетей по данным эксплуатации в различных режимах работы тепловой сети.

6. Модуль теплогидравлических расчетов тепловых сетей на основе макромоделирования. ПО САР-Т включает в себя макромодель системы теплоснабжения и предусматривает возможность моделирования различных режимов теплоснабжения путем изменения параметров модели (напоры источников, сопротивления потребителей), а также изменением структуры модели тепловой сети при помощи открытия/закрытия задвижек на магистральных трубопроводах и внесением дополнительных элементов в структуру тепловой сети.

7. Модуль анализа данных и расчета характеристик энергоэффективности потребления тепловой энергии. На основании параметров, которые хранятся в базе данных на сервере САР-Т, проводится расчет характеристик энергоэффективности теплоснабжения, результаты которого сохраняются модулем в базе данных САР-Т.

8. Модуль визуализации результатов моделирования и анализа, формирования отчетов отображает данные эксплуатации, технологические параметры, результаты моделирования и показатели эффективности функционирования, т. е. позволяет осуществлять визуальный контроль качества теплопотребления, отклонений технологических параметров от требуемых значений.

Рис. 5.5. Структура программного обеспечения САР-Т

Таким образом, подсистема автоматизированного анализа режимов теплоснабжения САР-Т обеспечивает выполнение следующих функций:

– ведение информационной базы данных технологических параметров и показателей функционирования системы теплоснабжения;

– идентификация и уточнение параметров макромоделей тепловых сетей;

– макромоделирование режимов теплоснабжения с учетом структурных переключений;

– расчет и графическое отображение результатов моделирования режимов и показателей экономичности теплоснабжения.

Практическое использование подсистемы автоматизированного анализа режимов теплоснабжения, построенной на основе макромоделирования, позволяет оперативно выявлять и устранять нерациональное использование теплоносителя и тем самым повысить надежность и экономичность теплоснабжения потребителей промышленных предприятий.

6. Регулирование экономичности горения в энергетических котлах[26]

Рассмотрим задачу регулирования режимов энергетических котлов, в которых утилизируются вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) металлургического производства. В качестве ВЭР могут выступать доменный газ, коксовый газ и другие виды ресурсов.

Рассмотрим вначале динамическую модель теплоэнергетической системы, в которой утилизируются вторичные энергетические ресурсы.

Обобщенная структура рассматриваемой энергетической системы приведена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Структура теплоэнергетической системы

Здесь OK – общий паровой коллектор; K _i – i -й паровой котел; П _j – j -й паровой потребитель; D_{K i} – выработка пара i -м котлом в общий коллектор; D_{H j} – расход пара j -м потребителем.

Построим гидродинамическую модель парового коллектора.

Уравнение динамики коллектора записывается в виде:

(6.1)

где h_k – энтальпия пара в коллекторе; p_k – давление пара в коллекторе.

Уравнение (6.1) получено на основе энергетического и материального баланса коллектора. Коэффициент C ₁ учитывает влияние энергетического дисбаланса коллектора на изменение его давления p_k, а C ₂ учитывает влияние материального дисбаланса.

Из (6.1) следует:

. (6.2)

Изменение нагрузок коллектора описывается соотношением:

(6.3)

где H_j – величина нагрузки, создаваемая j -м потребителем (в случае турбин характеризует положение регулирующих клапанов); D_{Hj 0}, p_{k 0}, H_{j 0} – параметры, характеризующие номинальные режимы работы (базовые режимы).

Уравнения (6.2), (6.3) определяют гидродинамические процессы, происходящие в коллекторе.

Построим далее гидродинамическую модель котла.

Расчетная схема гидродинамической модели котла представлена на рис. 6.2.

Рис.6.2. Схема гидродинамической модели котла

Гидродинамическое уравнение барабана записывается в виде:

, (6.4)

где Q _цк – суммарный тепловой поток, поступающий в циркуляционный контур барабана; W _п.в. – расход питательной воды; h ″ – энтальпия пара в барабане; h _в.э.″ – энтальпия воды водяного экономайзера (ВЭ); A ₁ – коэффициент влияния теплоэнергетического дисбаланса на давление в барабане; A ₂ – коэффициент влияния материального дисбаланса на давление в барабане.

Уравнение (6.4) можно представить в эквивалентном виде:

(6.5)

Уравнение (6.6) описывает гидродинамический процесс в пароперегревателе:

, (6.6)

где W _впр – расход воды на впрыск в пароперегреватель; B ₁ – коэффициент влияния материального дисбаланса пароперегревателя на давление p ₁ в нем.

Уравнения (6.7), (6.8) характеризуют потери напора в пароперегревателе:

(6.7)

, (6.8)

где B ₂, B ₃ – коэффициенты, характеризующие гидравлические сопротивления пароперегревателя.

Схема входных и выходных координат котла рассматриваемой гидродинамической модели представлена на рис. 6.3:

Рис. 6.3. Входные и выходные координаты

гидродинамической модели котла

В общем случае коэффициенты A модели с соответствующими индексами являются функциями p_б, а коэффициенты B – функциями двух переменных p_б и p_k.

Рассмотрим далее модель топочных процессов.

Модель топочных процессов ориентирована на вычисление теплового потока Q_цк, поступающего в циркуляционный контур барабана из топки котла. Схема модели представлена на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Схема модели топочных процессов котла

Здесь Q _вх – количество теплоты, вносимой в топку с топливными газами; a _в – расчетный коэффициент избытка воздуха на входе топки; a _р – коэффициент избытка воздуха в режимном сечении; h _р – КПД в режимном сечении; W ₁(p) – передаточная функция, характеризующая инерционные процессы в топке; W ₁^пр(p) – приведенная передаточная функция.

Зависимость h _р= h _р(a _р) снимается экспериментально.

Передаточные функции W ₁(p), W ₁^пр(p) имеют вид:

(6.9)

(6.10)

где t ₁ – величина задержки динамических процессов в режимном сечении котла; T ₁ – постоянная времени динамических процессов в режимном сечении котла; K ₁ – коэффициент усиления динамических процессов в режимном сечении котла.

Схема подачи топливных газов и воздуха

Схема подачи топливных газов и воздуха представлена на рис. 6.5.

Рис.6.5. Схема подачи топливных газов и воздуха

Здесь V _пг – расход природного газа; V _дг – расход доменного газа; V _в – расход воздуха; Q _н^пг – калорийность природного газа; Q _н^дг – калорийность доменного газа; К _в – количество воздуха, необходимое для получения единицы тепла при сжигании топливных газов.

Расчет выхода по кислороду

Схема расчета выхода по кислороду представлена на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Схема расчета выхода по кислороду

Здесь O₂ – содержание свободного кислорода в газах, покидающих топочную камеру; W₂(p) – передаточная функция, характеризующая инерционные процессы в топке.

Передаточная функция W₂(p) имеет вид:

(6.11)

где t ₂ – величина задержки динамических процессов в режимном сечении котла; T ₂ – постоянная времени динамических процессов в режимном сечении котла.

Общая схема регулирования котла

Типовая схема автоматического регулирования (САР) режимов выработки котлом тепловой энергии представлена на рис. 6.7.

Рис. 6.7.

Здесь БК – барабанный котел, на вход которого поступает топливо: В _пг – природный газ, ВЭР – вторичные энергетические ресурсы. Для обеспечения эффективности процесса горения топлива в топку котла подается воздух Q _в. В результате на выходе котла вырабатывается перегретый пар, расход которого определяется величиной D _пп, кроме того, на выходе котла измеряются параметры режима, например, давление пара в барабане p _б и др. На основе указанных параметров в АСУ ТП котла оценивается тепловыделение в топке , а также другие технологические характеристики. Непосредственно процессы регулирования осуществляет регулятор подачи природного газа с передаточной функцией W _рг и регулятор подачи воздуха W _рв, – задание по теплоте. Задание по воздуху определяется на основе задания по теплоте

. (6.12)

– регулирующие воздействия на устройства подачи природного газа и воздуха соответственно.

Использование ВЭР в котельной установке позволяет значительно экономить расход природного газа, тем самым, обеспечивая высокую степень эффективности использования топлива. При этом желательно обеспечить минимум потребления природного газа. Это достигается путем построения оптимальной зависимости расхода воздуха от тепловыделения в топке котла (6.12).

На рис. 6.8 представлен общий вид экспериментальных кривых относительного прироста топлива, в данном случае – природного газа, в зависимости от прироста выработки тепла.

Рис. 6.8.

Графики на рис. 6.8 получаются на основе теплотехнических испытаний котельной установки. Нижняя асимптота экспериментальных графиков определяет минимальную границу относительного прироста топлива. Режимы работы котельной установки, соответствующие минимальной границе относительного прироста топлива, характеризуются максимальным КПД процесса горения топлива. Для данной границы можно построить оптимальную зависимость (6.12), которая используется в системе автоматического регулирования режимов котла (рис. 6.7).

Мониторинг экономичности режимов котла при оперативном управлении

При оперативном управлении режимами работы котла целесообразно организовать для машиниста котла непрерывный мониторинг экономичности текущего режима. Мониторинг экономичности текущего режима целесообразно выполнить в виде экранной формы, представленной на рис. 6.9.

Рис. 6.9

На мониторе машиниста отображается текущее значение P_в(Q_т') в виде звезды, предыдущие значения P _в(Q _т') – в виде точек, линии равного значения КПД топки η_тi (η_т0 – максимальное КПД топки).

Общая схема регулирования котла представлена на рис. 6.10.

Рис. 6.10. Общая схема регулирования котла

Здесь p _м – давление пара в магистрали; p _м0 – уставка давления пара в магистрали; D p _м – сигнал рассогласования по давлению; I_м – контур регулирования давления по магистрали; W_{кр i} (p) – передаточная функция корректирующего регулятора по магистрали.

Вычисление сигнала Q _т' осуществляется в соответствие с формулой (4):

. (6.13)

Рассмотренная многомерная система автоматического регулирования позволяет эффективно управлять процессами утилизации ВЭР в энергетических котлах.

7. Автоматизированный мониторинг тепловой экономичности
оборудования электрических станций [27]

Дата добавления: 2014-12-29