Усовершенствованная математическая модель динамики уровня жидкости в барабанном парогенераторе как объекте управления

В настоящей работе для парогенераторов барабанного типа получена математическая модель, позволяющая повысить точность моделирования переходных процессов в автоматических системах регулирования уровня пароводяной смеси. Розглянуто особливості математичного моделювання динамічних властивостей рівня па...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Проблемы управления и информатики
Datum:	2019
Hauptverfasser:	Климчук, А.А., Ложечников, В.Ф., Михайленко, В.С., Ложечникова, Н.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russisch
Veröffentlicht:	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2019
Schlagworte:	Управление физическими объектами и техническими системами
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/180797
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Усовершенствованная математическая модель динамики уровня жидкости в барабанном парогенераторе как объекте управления / А.А. Климчук, В.Ф. Ложечников, В.С. Михайленко, Н.В. Ложечникова // Проблемы управления и информатики. — 2019. — № 3. — С. 54-63. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859859376992419840
author	Климчук, А.А. Ложечников, В.Ф. Михайленко, В.С. Ложечникова, Н.В.
author_facet	Климчук, А.А. Ложечников, В.Ф. Михайленко, В.С. Ложечникова, Н.В.
citation_txt	Усовершенствованная математическая модель динамики уровня жидкости в барабанном парогенераторе как объекте управления / А.А. Климчук, В.Ф. Ложечников, В.С. Михайленко, Н.В. Ложечникова // Проблемы управления и информатики. — 2019. — № 3. — С. 54-63. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Проблемы управления и информатики
description	В настоящей работе для парогенераторов барабанного типа получена математическая модель, позволяющая повысить точность моделирования переходных процессов в автоматических системах регулирования уровня пароводяной смеси. Розглянуто особливості математичного моделювання динамічних властивостей рівня пароводяної суміші у барабанному парогенераторі. Показано, що вкрай несприятливе для автоматичних систем керування закипання рівня пароводяної суміші у барабанному парогенераторі є наслідком як протікання складних теплофізичних процесів, так і конструктивних особливостей технологічної ділянки. Тому використання для моделювання динаміки рівня математичних моделей, в яких не враховується вплив акумулюючої і дроселюючої властивостей паропроводу на витрату насиченої пари з парогенератора, а головний вплив збурення (витрата пару) розглядається як незалежна змінна, є некоректним. Запропоновано лінійну математичну модель ділянки живлення барабанного парогенератора, яка враховує динамічні властивості паропроводу, що зʼєднує парогенератор із споживачем. Аналіз структурної схеми запропонованої математичної моделі показав, що між барабанним парогенератором і паропроводом існує зворотний взаємозвʼязок витрати пари. Негативний характер звʼязку пояснює самовирівнювання рівня, пов'язане зі зміною положення регулюючого клапана витрати пари або виділенням тепла у котельній камері. Відповідно, зміна площі прохідного перетину регулюючого клапана турбіни, без зміни регулятором теплового навантаження тепловиділення в котельній камері або ядерному реакторі, призводить до тимчасової зміни витрати пари, тобто до менш інтенсивного закипання рівня і його переходу до нового сталого значення. Стабілізація рівня відбувається нижче вихідного значення внаслідок короткочасного порушення балансу між подачею живильної води в парогенератор і відбором пари. Виявлені в результаті рішення системи диференціальних рівнянь особливості поведінки рівня пароводяної суміші дозволяють більш адекватно моделювати роботу існуючих та перспективних систем керування живленням барабанних парогенераторів. The features of mathematical modeling of the dynamic properties of the level of a steam-water mixture in a drum-type steam generator are considered. It is shown that the boiling up of the level of the steam-water mixture in the drum-type steam generator, which is extremely unfavorable for automatic control systems, is a consequence of the occurrence of complex thermophysical processes and the design features of the technological section. Therefore, the use of mathematical models for modeling the level dynamics, which do not take into account the effect of the accumulating and throttling properties of the steam line on the saturated vapor flow from the steam generator, and the main disturbing action (steam consumption) is considered as an independent variable, is not correct. The article proposes a linear mathematical model of the power supply section of the drum steam generator, which takes into account the dynamic properties of the steam line connecting the steam generator with the consumer. Analysis of the structural scheme of the proposed mathematical model showed that between the drum-type steam generator and the steam line there is an inverse relationship with steam consumption. The negative nature of this connection explains the self-leveling associated with a change in the position of the steam flow control valve or heat generation in the combustion chamber. Accordingly, a change in the flow area of the turbine control valve, without changing the heat release by the heat load regulator in the combustion chamber or nuclear reactor, leads to a temporary change in steam consumption. This leads to less intense boiling up of the level and its transition to a new steady-state value. Stabilization of the level occurs below the initial value due to a brief disruption of the balance between the feedwater supply to the steam generator and the extraction of steam. Identified, as a result of solving a system of differential equations, the peculiarities of the behavior of the steam-water mixture level make it possible to simulate more adequately the operation of existing and prospective power management systems for drum-type steam generators.
first_indexed	2025-12-07T15:45:12Z
format	Article
fulltext	© А.А. КЛИМЧУК, В.Ф. ЛОЖЕЧНИКОВ, В.С. МИХАЙЛЕНКО, Н.В. ЛОЖЕЧНИКОВА, 2019 54 ISSN 0572-2691 УПРАВЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ И ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ УДК 681.5.015.23:658.264 А.А. Климчук, В.Ф. Ложечников, В.С. Михайленко, Н.В. Ложечникова УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДИНАМИКИ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В БАРАБАННОМ ПАРОГЕНЕРАТОРЕ КАК ОБЪЕКТЕ УПРАВЛЕНИЯ Ключевые слова: барабанный парогенератор, энергетический барабанный ко- тел, автоматическая система регулирования уровня пароводяной смеси, мате- матическая модель, технологический участок питания парогенератора. Введение Промышленные барабанные парогенераторы, выполняющие преобразование химической энергии жидкого или газообразного топлива в форму, удобную для транспортировки и промышленного использования, т.е. в электрический ток, пар или горячую воду для обогрева жилых и производственных помещений, отлича- ются номинальной паровой мощностью и эксплуатационными режимами. Однако качественные свойства динамики уровня h пароводяной смеси разных барабан- ных парогенераторов одинаковы. Управление уровнем пароводяной смеси в парогенераторе сводится к под- держанию материального баланса между отводом пара D и подачей питательной воды .prG Отклонение уровня h в парогенераторе от заданного значения связа- но с небалансом между притоком питательной воды и расходом пара вследствие изменения содержания пара в пароводяной смеси в результате колебаний давле- ния перегретого пара в паропроводе mP или изменения тепловосприятия испари- тельных поверхностей нагрева. К стабилизации уровня предъявляются довольно жесткие требования, по- скольку при отклонении уровня воды в парогенераторе от номинального значения предусмотрены технологические и аварийные защиты котла или всего энергобло- ка. Снижение уровня до точки присоединения опускных (dip pipes) труб циркуля- ционного контура промышленного парогенератора может привести к нарушению питания и охлаждению водой экранных (screen tubes) труб. Следствием этого мо- жет быть нарушение прочности труб в местах стыковки с корпусом барабана, а в наиболее тяжелом случае — пережог. Чрезмерное повышение уровня может при- вести к снижению эффективности работы сепарационных устройств внутри паро- генератора и отложению солей жесткости в пароперегревателе (superheater). По- падание частиц воды из барабана в паропровод понижает температуру перегрето- го пара и может стать причиной тяжелых механических повреждений ротора и лопаток турбины. Изменение уровня воды внутри некоторых допустимых преде- лов практически не оказывает влияния на работу парогенератора. Вместе с тем механическая усталость (mechanical fatique) металла барабана, а также потребле- Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2019, № 3 55 ние энергии насосами зависят от качества регулирования расхода питательной воды. Резкие колебания расхода способствуют усталостным явлениям в металле, снижают надежность и экономичность работы питательных насосов. Поэтому наря- ду с регулированием уровня желательно поддерживать баланс между производ- ством пара и подачей питательной воды с минимальными колебаниями ее расхода. Точность поддержания уровня для большинства барабанных парогенерато- ров, при которой обеспечивается достаточная эффективность отделения влаги от пара и требуемый запас воды на случай перерыва питания, практически одинако- ва и составляет  50 мм [1]. Возмущающее воздействие на отклонение уровня воды могут оказывать рас- ход пара на турбину, изменение тепловыделения в топке барабанного котла ,Q изменение давления и температуры питательной воды. Характер кривых разгона по уровню при возмущении расходом пара и пита- тельной воды одинаков как для парогенераторов АЭС, так и для барабанных кот- лов средней мощности. Выпуклая форма кривой изменения уровня (рис. 1, а) [1] при ступенчатом увеличении расхода пара объясняется тем, что в первый момент после возмущения уровень воды возрастает в результате резкого уменьшения давления пара в барабане .bP Это в свою очередь приводит к увеличению в объеме пузырьков пара в кипящей пароводяной смеси парогенератора и росту уровня. После того как давление пара в барабане примет новое установившееся значение, соответ- ствующее новому значению расхода пара, изменение уровня будет протекать в соот- ветствии с уравнением материального ба- ланса. Рассмотренное явление носит назва- ние «набухания» уровня. Увеличение теплоподвода к экран- ным поверхностям нагрева котла также вызывает «набухание» (swelling) уровня за счет увеличения паросодержания па- роводяной смеси. Однако величина от- клонения уровня меньше, поскольку в ре- зультате увеличения генерации пара при неизменном положении регулирующих клапанов турбины или сетевых подогрева- телей происходит повышение давления пара в барабане, что в свою очередь при- водит к уменьшению пузырьков пара и замедлению «набухания». Снижению ве- личины «набухания» также способствует инерционность изменения теплоподвода к пароводяной смеси через радиационные и конвективные поверхности нагрева барабанного котла. Увеличение расхода питательной воды приводит к кратковре- менному «проседанию» уровня за счет уменьшения паросодержания, когда тем- пература питательной воды ниже температуры пароводяной смеси в парогенера- торе (рис. 1, б). Рассмотренные динамические свойства барабанных парогенераторов крайне неблагоприятны с точки зрения стабилизации уровня воды, поскольку для авто- матического регулирования уровня непригодны обычные одноконтурные системы регулирования. Задача математического моделирования уровня в барабанном парогенераторе В решении проблемы регулирования уровня пароводяной смеси в барабан- ном парогенераторе можно выделить несколько основных направлений — повы- шение точности измерения уровня и основных возмущающих воздействий [2] и синтез новых алгоритмов управления [3]. В основе большинства решений по повышению качества регулирования и надежности систем управления лежит математическое моделирование как техно- h, мм – –          t, с  Рис. 1  б а 56 ISSN 0572-2691 логического участка, так и проектируемой системы управления. Вскипание уров- ня при резком падении давления пара в парогенераторе является крайне неблаго- приятным фактором для системы управления. Первоначальное отклонение уровня определяется энергетическим небалансом в системе. Поскольку работа регулятора уровня основана на поддержании материального баланса между притоком (расход питательной воды) и стоком (расход пара), это приводит к изменению регулято- ром уровня расхода питательной воды в противоположную сторону и увеличению материального небаланса. Решить указанную проблему позволяет трехимпульс- ная система регулирования уровня [4], в которой на вход регулятора, кроме сиг- нала по уровню в парогенераторе, поступают с противоположными знаками сиг- налы по расходу пара и питательной воды (рис. 2). Рис. 2 Еще один подход связан с синтезом многорежимных систем управления пи- танием барабанных парогенераторов. Поскольку интенсивность вскипания уровня зависит от тепловой нагрузки парогенератора и режимов его работы (базовый или регулирующий), давление пара в барабане, процентное содержание насыщенного пара в барабане, ниже уровня жидкости, котловой воде и экранных трубах влияют на длительность переходного процесса, динамическое отклонение регулируемой величины и статическую ошибку. Задача по расширению диапазона работы систем управления питательной водой актуальна и для электростанций с комбинированным циклом для плавной интеграции возобновляемой энергии [5]. Диапазон работы таких установок включает состояния горячего и холодно- го пуска, в которых плотность пароводяной смеси может существенно изменяться. Нелинейная дина- мика уровня барабана котла в этом случае модели- руется в терминах линейных моделей с парамет- рическими вариациями. Такой подход позволяет уменьшить ошибки управления на 77 % [6]. Однако при математическом моделировании системы управления питанием парогенератора основное возмущающее воздействие — расход па- ра — рассматривается как независимая переменная (рис. 3). Такое допущение справедливо при опреде- лении передаточной функции устройства связи по основному возмущающему воздействию в трех- импульсной системе управления питанием пароге- нератора. В действительности расход пара зави- сит от тепловыделения в топочной камере бара- d / dt Регулятор уровня Zn F Gpv L P D, Pm h, Pb Q Рис. 3 D Топочная камера Gpv h, Pb Q Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2019, № 3 57 банного котла и гидравлического сопротивления паропровода между парогенера- тором и потребителем пара (электрическая турбина, сетевой подогреватель, тех- нологическое производство и др.), т.е. ( , ).ppD f Q  Включение в математическую модель динамики уровня жидкости в барабан- ном парогенераторе модели паропровода позволит проверить работоспособность АСУ на сброс нагрузки и установить максимальные отклонения уровня воды без проведения натурных испытаний и срабатывания технологических защит по уровню воды в барабане. Математическое описание объекта управления Барабанный парогенератор, как объект регулирования уровня, представляет систему емкостей, состоящую из собственно барабана, опускной трубной системы и экранной трубной системы (подъемные трубы). Эти емкости заполнены двух- фазной средой (вода и насыщенный пар (рис. 3)). Питательная вода, подогретая в экономайзере, подается в барабан котла и влияет одновременно на материальный и энергетический баланс (регулирующее воздей- ствие). Тепловая энергия дымовых газов передается экранным трубам, фестону (fes- ton) и котельному пучку и влияет только на энергетический баланс (возмущающее воздействие). В математической модели эти параметры рассматриваются как незави- симые переменные. Изменение уровня в такой схеме происходит из-за изменения регулирующим клапаном расхода питательной воды или отклонения давления перегретого пара со стороны потребителя .PP Динамические свойства уровня в барабанном парогенераторе описываются линейным дифференциальным уравнением 2 1 1 2 3 4 5 6 ,pv pvT h T h k G k G k D k D k Q k Q               (1) предполагающим, что температура воды в опускных трубах близка к температуре насыщения, а потоки массы и энергии с продувкой пренебрежимо малы по срав- нению с остальными потоками; температура металлических поверхностей бара- бана и труб в динамике и статике равна температуре насыщения [7]. Коэффициен- ты уравнения (1) определяются алгебраическими зависимостями: 2 6 7 1 4 2 3( );T a b a a a a  1 8 1 4 2 3 4 1 ( );T b a a a a b         1 5 7 4 1 2( );k a b a b a  2 1 3 1 4 1 6 2 6;k a a b a b b a b    3 7 1 4 2 3 5 4 3 2 5( );k b a a a a a a b a a    4 3 3 4 3 6 1 2 6;k a b a b b a a b    5 4 5 7;k a a b 6 4 6 3,k a b a  ; 2 iia   ,4 a , 6  Fa , 1 54 F bb  ,1 pvib  ,3 ib  обыкновенными — , )()( 000 1                       dP d mc dP iid V dP id Va mmW , )()( 00 3                dP d V dP d Va W 0 5          dP d Va Db и частными производными , 0 2            pv pv pv i Gb , 0 6          P V b DK , 0 7            Dh DK G V b . 0 8          h V b DK 58 ISSN 0572-2691 В этих соотношениях V — суммарный объем барабана, опускных и экранных труб, WV — суммарный объем воды в барабане, опускных и экранных трубах, mc — теплоемкость металла труб и барабана при температуре насыщения, mm — масса металла труб и барабана, , ,  ,i  i  — плотность и энтальпия (enthalpy) воды при температуре насыщения и насыщенного пара; P — давление пара в бара- бане,  — температура насыщения, ,pvi pv — энтальпия и температура пита- тельной воды; DbV — объем насыщенного пара в барабане над зеркалом испаре- ния, F — площадь зеркала испарения, DKV — объем паровых каналов в парово- дяной смеси, h — номинальный уровень воды в барабане. Численные значения коэффициентов рассчитываются по массогабаритным размерам и теплотехниче- ским параметрам для любого барабанного парогенератора. Изменение давления пара в барабане без учета влияния гидравлического со- противления паропровода описывается дифференциальным уравнением 7 8 9 ,b pvP k G k D k Q       (2) где 2 4 1 7 2 3 4 1 , a a b k a a a a    4 3 2 8 2 3 4 1 , a b a k a a a a    4 9 2 3 4 1 . a k a a a a    После нанесения любо- го возмущения давление в барабане будет изменяться по интегральному закону, поскольку в уравнения (1) и (2) входит независимая переменная по расходу па- ра .D Таким образом, если не учитывать в математической модели зависимость расхода пара от подвода тепла к пароводяной смеси и от площади проходного се- чения регулирующего клапана по расходу пара ,rkS результаты моделирования динамики уровня не будут адекватны реальным переходным процессам. Иными словами, изменение уровня будет определяться только энергетическим небалан- сом и изменением объема пузырьков пара (рис. 1, а). Для решения данной про- блемы необходимо дополнить уравнения (1) и (2) моделью паропровода, которая свяжет изменение давления в барабане bP с изменением расхода пара через па- ропровод .D Поскольку перегретый пар является сжимаемой средой, структурно паропро- вод, для упрощения аналитического вывода, можно представить из трех элемен- тов — дросселя, емкости и переменного гидравлического сопротивления (рис. 4), которые описываются системой уравнений [8] . ; ; b m L b М П b M m p rk rk rk P P a D d PD T D D P dt P P a D b S                 (3) Дроссельный элемент учитывает потери давления на трение и стационарное ускорение в паропроводе, аккумулирующий элемент T — количество пара в па- ропроводе ( bD — расход пара из парогенератора в паропровод). Регу- лирующий орган учитывает измене- ние площади проходного сечения rkS на расход пара. Изменение давления пара на входе bP и выходе Рис. 4 Pm Pm Pm Pm T D Dm Pm Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2019, № 3 59 pP паропровода также влияет на расход пара. Решение системы уравне- ний (3) относительно переменных mP и D позволяет записать уравнения 3 4 13 5 14 15 ,p p rk rk bT D D T P k P T S k S k P             (4) 3 10 11 12 ,m m b p rkT P P k P k P k S        (5) где 3 ,rk L p rk L m a a D T T a a P   4 ,L p rk L m a D T T a a P    5 ,rk L p rk L m b a D T T a a P   10k  ,rk rk L a a a   11 ,L rk L a k a a   12 ,L rk rk L a b k a a    13 1 , rk L k a a    14 rk rk L b k , a a   15 1 , rk L k a a   1 2 p m T M         , 2 1 ; n L i in i pr L M a D S           2 ;rk rk rk M a S    rkb  2 3 .rk rk M S    Анализ структурной схемы математической модели (рис. 5) показывает, что между барабанным парогенератором и паропроводом существует обратная взаи- мосвязь по расходу пара. Отрицательный характер этой связи объясняет самовы- равнивание уровня, связанное с изменением положения регулирующего клапана расхода пара или тепловыделением в топочной камере. Рис. 5 Согласно полученным соотношениям инерционность процессов в паропро- воде и коэффициент передачи по каналу «давление пара в барабане–расход пара к потребителю» зависят от длины паропровода ,L его внутреннего диаметра ,inD площади внутреннего сечения ,prS коэффициентов трения  и местных сопро- тивлений ,i а также массы пара в паропроводе ,m расхода пара в установив- шемся режиме ,M показателя степени адиабаты , плотности пара , коэффи- циента сопротивления rk и площади проходного сечения регулирующего клапа- на rkS в установившемся режиме. Gm Q Sm Pm Pm h D     Барабанный парогенератор Паропровод Pm 60 ISSN 0572-2691 Результаты математического моделирования Совместное решение уравнений (1)–(4), применительно к газо-мазутному котлу ГМ-50, позволяет исследовать динамические свойства уровня в барабан- ном парогенераторе, когда расход пара зависит от тепловыделения в топочной камере и положения регулирующего органа по расходу пара (рис. 6, а, б). Рас- ход пара потребителем, согласно (5), влияет на изменение давления перегрето- го пара в главной паровой магистрали .mP Давление перегретого пара опре- деляет баланс между генерацией пара в парогенераторе и его расходом через паровую турбину на ТЭС или на сетевые подогреватели горячей воды. Поэто- му изменение площади проходного сечения регулирующего клапана ,rkS без изменения регулятором тепловой нагрузки тепловыделения в топочной каме- ре, приводит к временному изменению расхода пара, которое обусловлено, в основном, аккумулирующей способностью паропровода. Это приводит к ме- нее интенсивному вскипанию уровня (если проходное сечение регулирующего клапана rkS увеличивается) и его переходу к новому установившемуся зна- чению (рис. 6, б). Стабилизация уровня происходит ниже исходного значения вследствие кратковременного нарушения баланса между подачей питательной воды в парогенератор и отбором пара. Если при математическом моделирова- нии не учитывается принципиальная зависимость расхода пара от гидравличе- ского сопротивления паро- провода, который соединяет парогенератор с потребите- лем пара, то результаты мо- делирования не будут адек- ватно описывать свойства реального объекта (рис. 6, а). Оценка качества ре- гулирования переходных процессов в трехимпульс- ной системе регулирования уровня без учета зависи- мости ( , )ppD f Q  дает в четыре раза большее ди- намическое отклонение (рис. 7, а), что при скач- кообразном увеличении на 30 % расхода пара потреби- телем приводит к срабаты- ванию сигнализации и ава- рийному останову котла. Полученная математи- ческая модель позволяет ис- следовать возможность ис- пользования дополнитель- ного сигнала по изменени- ю давления пара в барабане bP для улучшения качест- ва переходных процессов. – 60 – 50 – 40 – 30 – 20 – 10 0 10 0 20 40 60 80 100 120 140 t, с a б h, мм Рис. 7 0 10 20 30 40 50 60 – 5 0 5 10 15 a б в h, мм t, с Рис. 6 Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2019, № 3 61 Традиционно сигнал по тепловыделению в топочной камере b p dP Q C D dt   ( pC — постоянный коэффициент, характеризующий массовую аккумулиру- ющую способность пароводяной смеси, барабана и экранных труб котла) применяется в системе регулирования тепловой нагрузки, когда использова- ние сигнала по расходу топлива неэффективно [9–11]. Исследование, прове- денное на полученной математической модели, показало, что введение в классическую трехимпульсную систему управления уровнем (рис. 7, б) до- полнительного сигнала по скорости изменения давления пара в парогенера- торе с отрицательным коэффициентом позволяет сократить время регулиро- вания более чем в два раза (рис. 7, в). Заключение В настоящей работе для парогенераторов барабанного типа получена ма- тематическая модель, позволяющая повысить точность моделирования пере- ходных процессов в автоматических системах регулирования уровня парово- дяной смеси. Показано, что учет в математической модели обратного влияния расхода пара через паропровод на его давление в самом парогенераторе при- водит к самовыравниванию объекта управления по каналу «изменение площа- ди проходного сечения регулирующего клапана rkS –уровень воды в пароге- нераторе h ». Таким образом, скачкообразные изменения расхода пара пот- ребителем (до 50 % от номинального расхода) не приводят к аварийному превышению или понижению уровня. Использование сигнала по давлению па- ра в барабанном парогенераторе позволяет не только улучшить динамические показатели качества регулирования уровня, но и уменьшить статическую ошибку, поскольку в классической трехимпульсной системе регулирования плотность пара считается постоянной. О.А. Климчук, В.Ф. Ложечніков, В.С. Михайленко, Н.В. Ложечнікова УДОСКОНАЛЕНА МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ДИНАМІКИ РІВНЯ РІДИНИ В БАРАБАННОМУ ПАРОГЕНЕРАТОРІ ЯК ОБʼЄКТІ КЕРУВАННЯ Розглянуто особливості математичного моделювання динамічних властивос- тей рівня пароводяної суміші у барабанному парогенераторі. Показано, що вкрай несприятливе для автоматичних систем керування закипання рівня пароводяної суміші у барабанному парогенераторі є наслідком як протікан- ня складних теплофізичних процесів, так і конструктивних особливостей те- хнологічної ділянки. Тому використання для моделювання динаміки рівня математичних моделей, в яких не враховується вплив акумулюючої і дросе- люючої властивостей паропроводу на витрату насиченої пари з парогенера- тора, а головний вплив збурення (витрата пару) розглядається як незалежна змінна, є некоректним. Запропоновано лінійну математичну модель ділянки живлення барабанного парогенератора, яка враховує динамічні властивості паропроводу, що зʼєднує парогенератор із споживачем. Аналіз структурної схеми запропонованої математичної моделі показав, що між барабанним па- рогенератором і паропроводом існує зворотний взаємозвʼязок витрати пари. Негативний характер звʼязку пояснює самовирівнювання рівня, повʼязане зі 62 ISSN 0572-2691 зміною положення регулюючого клапана витрати пари або виділенням тепла у котельній камері. Відповідно, зміна площі прохідного перетину регулюю- чого клапана турбіни, без зміни регулятором теплового навантаження теп- ловиділення в котельній камері або ядерному реакторі, призводить до тим- часової зміни витрати пари, тобто до менш інтенсивного закипання рівня і його переходу до нового сталого значення. Стабілізація рівня відбувається нижче вихідного значення внаслідок короткочасного порушення балансу між подачею живильної води в парогенератор і відбором пари. Виявлені в результаті рішення системи диференціальних рівнянь особливості поведінки рівня пароводяної суміші дозволяють більш адекватно моделювати роботу існуючих та перспективних систем керування живленням барабанних паро- генераторів. Ключові слова: барабанний парогенератор, енергетичний барабанний котел, автоматична система регулювання рівня пароводяної суміші, математична мо- дель, технологічна ділянка живлення парогенератора. A.A. Klymchuk, V.F. Lozhechnikov, V.S. Mykhailenko, N.V. Lozhechnikova IMPROVED MATHEMATICAL MODEL OF FLUID LEVEL’S DYNAMICS IN A DRUM-TYPE STEAM GENERATOR AS A CONTROLLED OBJECT The features of mathematical modeling of the dynamic properties of the level of a steam-water mixture in a drum-type steam generator are considered. It is shown that the boiling up of the level of the steam-water mixture in the drum- type steam generator, which is extremely unfavorable for automatic control sys- tems, is a consequence of the occurrence of complex thermophysical processes and the design features of the technological section. Therefore, the use of math- ematical models for modeling the level dynamics, which do not take into ac- count the effect of the accumulating and throttling properties of the steam line on the saturated vapor flow from the steam generator, and the main disturbing action (steam consumption) is considered as an independent variable, is not correct. The article proposes a linear mathematical model of the power supply section of the drum steam generator, which takes into account the dynamic prop- erties of the steam line connecting the steam generator with the consumer. Anal- ysis of the structural scheme of the proposed mathematical model showed that between the drum-type steam generator and the steam line there is an inverse re- lationship with steam consumption. The negative nature of this connection ex- plains the self-leveling associated with a change in the position of the steam flow control valve or heat generation in the combustion chamber. Accordingly, a change in the flow area of the turbine control valve, without changing the heat release by the heat load regulator in the combustion chamber or nuclear reactor, leads to a temporary change in steam consumption. This leads to less intense boiling up of the level and its transition to a new steady-state value. Stabilization of the level occurs below the initial value due to a brief disruption of the balance between the feedwater supply to the steam generator and the extraction of steam. Identified, as a result of solving a system of differential equations, the peculiari- ties of the behavior of the steam-water mixture level make it possible to simulate more adequately the operation of existing and prospective power management systems for drum-type steam generators. Keywords: drum steam generator, energy drum boiler, automatic system for regulat- ing the level of steam-water mixture, mathematical model, technological feeding sec- tion of steam generator. Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2019, № 3 63 1. Демченко В.А. Автоматизация и моделирование процессов АЭС и ТЭС. Одесса : «Астро- принт», 2001. 305 с. 2. Авраменко С.В., Тарасюк В.П. Математическая модель системы мониторинга уровня жид- кости в барабане котла. Вестник Нац. техн. ун-та «ХПИ» : сб. науч. тр. Темат. вып. : Элек- троэнергетика и преобразовательная техника. Харьков : НТУ «ХПИ». 2012. № 41. С. 100– 110. http://science.polytech.kharkiv.net/View/31119/. 3. Ablay G. A robust estimator-based optimal algebraic approach to steam generator feedwater control system. Turk. J. Electr. Eng. Comput. Sci. 2016. 24. P. 206–218. https://doi.org/ 10.3906/elk-1307-46. 4. Кулаков Г.Т., Кулаков А.Т., Кухоренко А.Н. Математическое моделирование переход- ных процессов трехимпульсной системы автоматического регулирования питания во- дой парогенератора на сброс нагрузки. Энергетика. Известия высших учебных заведе- ний и энергетических объединений СНГ. 2014. № 1. С. 57–64. http://rep.bntu.by/ handle/data/6834. 5. Improving the operation modes efficiency in heat pump systems of hot water supply with the two- stage heat accumulation. A. Mazurenko, A. Denysova, G. Balasanian, A. Klymchuk, K. Bori- senko. Eastern-european journal of enterprise technologies. 2017. 1/8. P. 27–34. https:// doi.org/10.15587/1729-4061.2017.92495. 6. Sunil P.U., Jayesh Barve, Natara P.S.V. A robust heat recovery steam generator drum level con- trol for wide range operation flexibility considering renewable energy integration. Energy. 2018. 163. P. 873–893. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.08.167. 7. Ложечников В.Ф., Стопакевич А.А. Структура многомерной математической модели динамики барабанного котла средней мощности. Оптимизация управления, информа- ционные системы и компьютерные технологии: Труды Украинской академии эконо- мической кибернетики (Южный научный центр). Киев-Одесса : ИСЦ, 1999. Вып.1. Ч. 2. С. 167–176. 8. Профос П. Регулирование паросиловых установок. М. : Энергия, 1967. 368 с. 9. Maksymov M., Lozhechnikov V., Maksymovа O., Lysiuk O. Improvement of the control system over drum boilers for burning combustible artificial gases. Eastern-European Jour- nal of Enterprise Technologies. 2017. 4, N 8 (88). P. 10–16. https://doi.org/10.15587/1729- 4061.2017.107358. 10. Михайленко В.С., Харченко Р.Ю. Синтез нейромережевої системи автоматичного регулю- вання рівня води в барабані котла енергоблоку ТЕС. Наукові вісти НТУУ «КПІ». 2012. № 5. С. 45–51. http://nbuv.gov.ua/UJRN/NVKPI_2012_5_8. 11. Mikhailenko V.S., Kharchenko R.Yu. Analysis of traditional and neuro_fuzzy adaptive system of controlling the primary steam temperature in the direct flow steam generators in thermal power stations. Automatic Control and Computer Sciences. 2014. 48, N 6. P. 334–344. https://- doi.org/10.3103/S0146411614060066. Получено 02.01.2019 После доработки 21.03.2019 http://science.polytech.kharkiv.net/View/31119/ https://doi.org/10.3906/elk-1307-46 https://doi.org/10.3906/elk-1307-46 http://rep.bntu.by/%0bhandle/data/6834 http://rep.bntu.by/%0bhandle/data/6834 https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.92495 https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.92495 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544218317031 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544218317031 https://www.sciencedirect.com/science/journal/03605442 https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.08.167 doi:%2010.15587/1729-4061.2017.107358 doi:%2010.15587/1729-4061.2017.107358 http://nbuv.gov.ua/UJRN/NVKPI_2012_5_8
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-180797
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0572-2691
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T15:45:12Z
publishDate	2019
publisher	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
record_format	dspace
spelling	Климчук, А.А. Ложечников, В.Ф. Михайленко, В.С. Ложечникова, Н.В. 2021-10-19T15:36:44Z 2021-10-19T15:36:44Z 2019 Усовершенствованная математическая модель динамики уровня жидкости в барабанном парогенераторе как объекте управления / А.А. Климчук, В.Ф. Ложечников, В.С. Михайленко, Н.В. Ложечникова // Проблемы управления и информатики. — 2019. — № 3. — С. 54-63. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0572-2691 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/180797 681.5.015.23:658.264 В настоящей работе для парогенераторов барабанного типа получена математическая модель, позволяющая повысить точность моделирования переходных процессов в автоматических системах регулирования уровня пароводяной смеси. Розглянуто особливості математичного моделювання динамічних властивостей рівня пароводяної суміші у барабанному парогенераторі. Показано, що вкрай несприятливе для автоматичних систем керування закипання рівня пароводяної суміші у барабанному парогенераторі є наслідком як протікання складних теплофізичних процесів, так і конструктивних особливостей технологічної ділянки. Тому використання для моделювання динаміки рівня математичних моделей, в яких не враховується вплив акумулюючої і дроселюючої властивостей паропроводу на витрату насиченої пари з парогенератора, а головний вплив збурення (витрата пару) розглядається як незалежна змінна, є некоректним. Запропоновано лінійну математичну модель ділянки живлення барабанного парогенератора, яка враховує динамічні властивості паропроводу, що зʼєднує парогенератор із споживачем. Аналіз структурної схеми запропонованої математичної моделі показав, що між барабанним парогенератором і паропроводом існує зворотний взаємозвʼязок витрати пари. Негативний характер звʼязку пояснює самовирівнювання рівня, пов'язане зі зміною положення регулюючого клапана витрати пари або виділенням тепла у котельній камері. Відповідно, зміна площі прохідного перетину регулюючого клапана турбіни, без зміни регулятором теплового навантаження тепловиділення в котельній камері або ядерному реакторі, призводить до тимчасової зміни витрати пари, тобто до менш інтенсивного закипання рівня і його переходу до нового сталого значення. Стабілізація рівня відбувається нижче вихідного значення внаслідок короткочасного порушення балансу між подачею живильної води в парогенератор і відбором пари. Виявлені в результаті рішення системи диференціальних рівнянь особливості поведінки рівня пароводяної суміші дозволяють більш адекватно моделювати роботу існуючих та перспективних систем керування живленням барабанних парогенераторів. The features of mathematical modeling of the dynamic properties of the level of a steam-water mixture in a drum-type steam generator are considered. It is shown that the boiling up of the level of the steam-water mixture in the drum-type steam generator, which is extremely unfavorable for automatic control systems, is a consequence of the occurrence of complex thermophysical processes and the design features of the technological section. Therefore, the use of mathematical models for modeling the level dynamics, which do not take into account the effect of the accumulating and throttling properties of the steam line on the saturated vapor flow from the steam generator, and the main disturbing action (steam consumption) is considered as an independent variable, is not correct. The article proposes a linear mathematical model of the power supply section of the drum steam generator, which takes into account the dynamic properties of the steam line connecting the steam generator with the consumer. Analysis of the structural scheme of the proposed mathematical model showed that between the drum-type steam generator and the steam line there is an inverse relationship with steam consumption. The negative nature of this connection explains the self-leveling associated with a change in the position of the steam flow control valve or heat generation in the combustion chamber. Accordingly, a change in the flow area of the turbine control valve, without changing the heat release by the heat load regulator in the combustion chamber or nuclear reactor, leads to a temporary change in steam consumption. This leads to less intense boiling up of the level and its transition to a new steady-state value. Stabilization of the level occurs below the initial value due to a brief disruption of the balance between the feedwater supply to the steam generator and the extraction of steam. Identified, as a result of solving a system of differential equations, the peculiarities of the behavior of the steam-water mixture level make it possible to simulate more adequately the operation of existing and prospective power management systems for drum-type steam generators. ru Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України Проблемы управления и информатики Управление физическими объектами и техническими системами Усовершенствованная математическая модель динамики уровня жидкости в барабанном парогенераторе как объекте управления Удосконалена математична модель динаміки рівня рідини в барабанному парогенераторі як об'єкті керування Improved mathematical model of fluid level’s dynamics in a drum-type steam generator as a controlled object Article published earlier
spellingShingle	Усовершенствованная математическая модель динамики уровня жидкости в барабанном парогенераторе как объекте управления Климчук, А.А. Ложечников, В.Ф. Михайленко, В.С. Ложечникова, Н.В. Управление физическими объектами и техническими системами
title	Усовершенствованная математическая модель динамики уровня жидкости в барабанном парогенераторе как объекте управления
title_alt	Удосконалена математична модель динаміки рівня рідини в барабанному парогенераторі як об'єкті керування Improved mathematical model of fluid level’s dynamics in a drum-type steam generator as a controlled object
title_full	Усовершенствованная математическая модель динамики уровня жидкости в барабанном парогенераторе как объекте управления
title_fullStr	Усовершенствованная математическая модель динамики уровня жидкости в барабанном парогенераторе как объекте управления
title_full_unstemmed	Усовершенствованная математическая модель динамики уровня жидкости в барабанном парогенераторе как объекте управления
title_short	Усовершенствованная математическая модель динамики уровня жидкости в барабанном парогенераторе как объекте управления
title_sort	усовершенствованная математическая модель динамики уровня жидкости в барабанном парогенераторе как объекте управления
topic	Управление физическими объектами и техническими системами
topic_facet	Управление физическими объектами и техническими системами
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/180797
work_keys_str_mv	AT klimčukaa usoveršenstvovannaâmatematičeskaâmodelʹdinamikiurovnâžidkostivbarabannomparogeneratorekakobʺekteupravleniâ AT ložečnikovvf usoveršenstvovannaâmatematičeskaâmodelʹdinamikiurovnâžidkostivbarabannomparogeneratorekakobʺekteupravleniâ AT mihailenkovs usoveršenstvovannaâmatematičeskaâmodelʹdinamikiurovnâžidkostivbarabannomparogeneratorekakobʺekteupravleniâ AT ložečnikovanv usoveršenstvovannaâmatematičeskaâmodelʹdinamikiurovnâžidkostivbarabannomparogeneratorekakobʺekteupravleniâ AT klimčukaa udoskonalenamatematičnamodelʹdinamíkirívnârídinivbarabannomuparogeneratoríâkobêktíkeruvannâ AT ložečnikovvf udoskonalenamatematičnamodelʹdinamíkirívnârídinivbarabannomuparogeneratoríâkobêktíkeruvannâ AT mihailenkovs udoskonalenamatematičnamodelʹdinamíkirívnârídinivbarabannomuparogeneratoríâkobêktíkeruvannâ AT ložečnikovanv udoskonalenamatematičnamodelʹdinamíkirívnârídinivbarabannomuparogeneratoríâkobêktíkeruvannâ AT klimčukaa improvedmathematicalmodeloffluidlevelsdynamicsinadrumtypesteamgeneratorasacontrolledobject AT ložečnikovvf improvedmathematicalmodeloffluidlevelsdynamicsinadrumtypesteamgeneratorasacontrolledobject AT mihailenkovs improvedmathematicalmodeloffluidlevelsdynamicsinadrumtypesteamgeneratorasacontrolledobject AT ložečnikovanv improvedmathematicalmodeloffluidlevelsdynamicsinadrumtypesteamgeneratorasacontrolledobject

Усовершенствованная математическая модель динамики уровня жидкости в барабанном парогенераторе как объекте управления

Institution

Ähnliche Einträge