Автоматическое регулирование в теплоэнергетике

Автоматическое регулирование в теплоэнергетике

Основная задача автоматического регулирования энергетической установки - обеспечить ее работу во всей области гарантированных режимов. Режимы работы различных энергоустановок характеризуются значениями одной или несколькими величин. Так, режимы работы парового котла характеризуются давлением и температурой пара при выходе из котла, его паропроизводительностью. Режим работы турбины - частотой вращения ротора турбины и напряжением на клеммах генератора для конденсационного турбогенератора, для турбин с отборами пара для потребителя еще и давлением пара в отборах- теплофикационном или производственном. Те параметры режима работы энергоустановки, которые регламентируются внешним потребителем, называются внешними регулируемыми параметрами, остальные внутренними. Для турбогенератора внешними являются частота вращения ротора, напряжение на клеммах генератора и давление в отборах пара к потребителю. Для котельной установки- давление, температура и расход свежего пара. Внутренние регулируемые параметры в большинстве своем относятся к параметрам, определяющим регламентное состояние и работу вспомогательного оборудования электростанций.

Если в процессе работы энергоустановки регулируемые величины существенно отклоняются от требуемых (нормируемых) значений, то в работу вступают регулировочные органы энергоустановки, изменяя в необходимом направлении значения этих величин. В таком случае энергоустановка становится объектом управления в широком смысле или объектом регулирования, например, по одному внешнему параметру регулирования.

Для того, чтобы была обеспечена нормальная работа объекта регулирования (ОР) во всей области гарантированных режимов, он должен обладать определенной статической характеристикой, которая связывает режимные параметры энергоустановок в равновесных процессах, последняя может быть выражена аналитической или графической зависимостью регулируемой величины от нагрузки.

Например: n=f(Рн) или =f(Nт),

где Рн - нагрузка турбогенератора, Nт - электрическая мощность турбогенератора, n - число оборотов ротора турбины, - его угловая скорость вращения.

Р=f(Dп) - давление пара при выходе из котла, Dп- расход пара, tпп = f(Dп) - температура свежего пара.

Рис. 1.1 Статические характеристики объекта регулирования.

а) турбины по скорости вращения ротора, б), в) котла по давлению и температуре пара.

Естественная характеристика ОР зачастую может не удовлетворять потребителя. Чтобы привести ее в соответствие с требованиями потребителя применяется система регулирования, которая позволяет получить надлежащую статическую характеристику ОР. Система регулирования может состоять из нескольких элементов, каждый из которых имеет свою статическую характеристику.

Статическая характеристика ОР может быть получена на основании статических характеристик элементов, входящих в состав системы регулирования. Таким образом, статическая характеристика ОР является результирующей, поскольку, влияя на статические характеристики элементов системы регулирования, можно получить приемлемую для потребителя статическую характеристику ОР. Задача нахождения требуемой статической характеристики относится к статике регулирования - регулированию в установившихся (равновесных) процессах.

Режимы работы ОР и их систем регулирования называются равновесными или установившимися, если регулируемая величина и все действующие в системе возмущения не изменяются во времени. Так, установившиеся движение турбогенератора возможно при равенстве момента движущих сил М_т, развиваемых паром или газом на лопатках турбины, и момента сил сопротивления - электромагнитных сил генератора М_г, т.е. . В действительности момент сил сопротивления, зависящий от потребителя (электросети), в процессе работы турбогенератора может изменяться, вследствие чего равновесие в силовом поле взаимодействующих сил нарушается, и ротор турбогенератора получает ускорение или замедление, из-за чего равновесный режим нарушается.

При неустановившемся (неравновесном) режиме в действие приходит система регулирования. Связи между элементами системы регулирования и объектом регулирования в переходных процессах называются динамическим направленного действия. Они определяют характер переходных процессов в системе. Задача системы регулирования - перевести ОР в такой режим, который соответствует равновесному состоянию системы. Изучение переходных процессов составляет вторую основную задачу автоматического регулирования и относится к динамике регулирования.

Первым шагом при изучении динамики регулирования должно быть разграничение систем годных от систем не годных для целей управления объектом. Такое разграничение выполняется путем исследования устойчивости систем регулирования. Система регулирования называется устойчивой, если будучи выведенной из состояния равновесия сообщением ей некоторых начальных отклонений в своем дальнейшем движении будет стремиться к некоторому равновесному состоянию. Регулирование, не удовлетворяющее этому условию, называется неустойчивым. Исследование устойчивости регулирования имеет целью дать качественную оценку той или иной принципиальной схеме регулирования, то есть установить правильно ли будет функционировать данная система регулирования при каких-либо нарушениях равновесного режима или нет.

В исследованиях динамических процессов регулирования, предполагают, что к ОР или регулятору приложены некоторые воздействия. Их называют соответственно: возмущающими и управляющими.

В зависимости от характера связей системы регулирования делятся на системы работающие по:

1) замкнутому циклу (Рис. 1.2)

Рис. 1.2 Схема замкнутого регулирования

Р-Р- регулятор, ОР- объект регулирования, ГОС - главная обратная связь, - управляющее воздействие, - возмущающее воздействие, - регулируемый параметр, - входная величина отклонения регулируемого параметра.

2) разомкнутому циклу (Рис. 1.3.)

Рис. 1.3 Схема разомкнутого регулирования.

Наличие обратной связи между ОР и регулятором, которую называют главной, является необходимым условием автоматической системы регулирования (АСР), т.е. АСР это замкнутые динамические системы направленного действия.

В теплоэнергетике находят применение системы регулирования нескольких величин. При этом их регуляторы связаны вне ОР. Такие схемы называются системами связанного регулирования, например, АСР теплофикационных турбин.

Системы регулирования, где управляющее воздействие изменяется в зависимости от времени по заданному закону, носят название систем программного регулирования.

Структура АСР и ее основные элементы

По виду используемой энергии различают АСР: механические, гидравлические, пневматические, электрические, комбинированные.

Регулятор, выполняя свои функции, должен перемещать регулировочные органы (РО) в требуемом направлении, для обеспечения устойчивого движения системы. При этом нередко для перестановки РО требуются затраты значительной мощности, которую не могут развить регуляторы. В таких случаях в составе АСР предусматривают усилительные устройства, которые включают в передаточный механизм между регулятором и РО. Усилители воспроизводят все указания от регулятора, и мощность сигнала от них должна быть достаточной для необходимого перемещения регулировочных органов. Автоматическое регулирование без участия усилителей называется прямым регулированием, а при наличии их в передаточном механизме - непрямым регулированием.

Рис. 1.4 Схема прямого (а) и непрямого регулирования (б) турбин.

РС- регулятор скорости, ПЗ- промежуточный золотник, СМ-сервомотор, РО- регулировочные органы (клапаны) турбины.

АСР с использованием электрической энергии нашли широкое применение для котельного оборудования и вспомогательных установок на ТЭС (Рис. 1.5)

Рис 1.5 Схема электрической системы регулирования.

Д-датчик, в состав которого могут входить преобразователь энергии и чувствительный элемент: давления, температуры, расхода, других регулируемых величин;

ЗД-задатчик, с помощью которого устанавливают заданное значение регулируемого параметра.

УОС-устройство внутренней обратной связи, предназначенной для стабилизации процесса регулирования, его сигнал направлен навстречу х_вх;

ИБ-измерительный блок, производит алгебраическое суммирование сигналов, поступающих от датчика и задатчика;

КУУ-командно - усилительное устройство;

ИМ-исполнительный механизм.

Примером использования в АСР комбинированного вида энергии является система регулирования турбины, в которой установлен электрогидравлический преобразователь для преобразования электрического сигнала от регуляторов энергосистемы (корректора частоты, противоаварийной автоматики, регулятора обменной мощности) в гидравлический сигнал для гидравлической системы регулирования турбоагрегата.

Переходные процессы в АСР

Нарушения равновесных режимов в АСР происходят под влиянием различных факторов, например, управляющего воздействия, направленного к регулятору от задатчика, или возмущающего воздействия приложенного к объекту регулирования. Системы регулирования ведут себя по отношению к этим воздействиям существенно различным образом. В то время как управляющее воздействие определяет величину и направление изменения регулируемого параметра, возмущающее воздействие не должно существенно влиять на изменение регулируемых параметров

Виды переходных процессов в АСР при единичных ступенчатых воздействиях и (Рис. 1.6)

Рис. 1.6 Переходные процессы в устойчивых АСР.

а) - при управляющем воздействии, б) - при возмущающем воздействии.

Для устойчивых АСР переходные процессы сходящиеся, т.е. стремится к заданному значению или возвращается к прежнему. В неустойчивых АСР переходные процессы расходящиеся: регулируемый параметр отклоняется от своего заданного значения на большую величину с возрастающей скоростью (Рис. 1.7,а)

Рис. 1.7 Переходные процессы в АСР: а) неустойчивых, б) находящихся на границе устойчивости.

АСР может находится на границе устойчивости, когда регулируемый параметр не принимает заданного значения и его отклонения имеет постоянную амплитуду отклонения от заданного значения (Рис. 1.7,б). При том или ином воздействии требуемые и действительные значения регулируемой величины могут отличаться друг от друга. Разность между заданным и действительным значением регулируемой величины называется ошибкой регулирования.

Рис. 1.8 Ошибки и отклонения для АСР.

Отклонением регулируемой величины называется разность между значением регулируемой величины в данный момент времени и некоторым фиксированным ее значением, принятым за начало отсчета. Различают динамическую ошибку и отклонение в переходных процессах и ошибку и отклонение в равновесных режимах - статическая ошибка, отклонение.

Статические и астатические системы регулирования

Автоматические системы регулирования принято подразделять на статические и астатические в зависимости от того имеют ли они или не имеют отклонение или ошибку в установившемся состоянии при воздействиях, удовлетворяющих определенным условиям.

Система регулирования называется статической по отношению к возмущающему воздействию, если при воздействии, стремящемся с течением времени к некоторому установившемуся постоянному значению, отклонение регулируемой величины так же стремится к постоянному значению, зависящему от величины воздействия.

Система регулирования называется астатической по отношению к возмущающему воздействию, если при воздействии, стремящемся с течением времени к некоторому установившемуся постоянному значению, отклонение регулируемой величины стремится к нулю вне зависимости от величины воздействия.

Рис. 1.9 Переходные процессы в статических (1) и астатических (2) АСР.

В статической системе регулирования статическая характеристика всегда изображается наклонной линией (Рис.1.10,а).

Рис. 1.10 Статические характеристики статической (а) и астатической (б) АСР - входное воздействие - выходной регулируемый параметр

Система регулирования называется статической по отношению к управляющему воздействию, если при воздействии, стремящемуся с течением времени к некоторому установившемуся постоянному значению, ошибка так же стремится к постоянному значению, зависящему от величины воздействия. Система регулирования называется астатической по отношению к управляющему воздействию, если при воздействии, стремящемуся с течением времени к некоторому установившемуся постоянному значению, ошибка стремится к нулю вне зависимости от величины воздействия.

Для астатических систем регулирования статическая характеристика всегда изображается прямой, параллельной оси абсцисс (Рис. 1.10,б).

Следует подчеркнуть, что одна и та же система регулирования может быть астатической по отношению, например, какому-либо возмущающему воздействию и статической по отношению к управляющему воздействию и наоборот. Таковой, в частности, является автоматическая система регулирования давления свежего пара при выходе из котла.

Принципы автоматического регулирования

Влияние возмущающих воздействий на регулируемую величину можно компенсировать или регулированием по возмущению или регулированием по отклонению регулируемой величины от ее заданного значения. (Рис. 1.11)

Рис. 1.11Схема реализации принципов автоматического регулирования.

Р- регулятор, ОР- объект регулирования.

В первом случае работа АСР основана на контроле возмущающих воздействий. В этих системах воздействие на регулировочные органы ОР осуществляется почти без запаздывания по отношению к моменту возникновения возмущения, т.е. еще до того как успеет существенно измениться значение регулируемой величины. В этом достоинство систем. Недостатком такой системы является то, что флуктуации нагрузки (случайные возмущения) и неизбежные неточности в работе системы регулирования будут вызывать отклонения регулируемой величины, накапливающееся со временем и зачастую выходящее за допустимые пределы.

При работе АСР по отклонению регулируемого параметра почти исключается возможность неоправданного срабатывания регулятора. Недостаток этих АСР в том, что регулирующее воздействие на объект регулирования будет лишь по мере накопления отклонения регулируемой величины и следовательно, будет запаздывать по отношению к событию возмущения. Сочетание достоинств с устранением недостатков этих систем возможно в комбинированной АСР, в которых воздействие на регулятор производится по возмущению (или по нескольким возмущениям) и по отклонению регулируемой величины от заданного значения. Примером такой системы является АСР питания барабанного котла.

Требования к АСР:

1) к запасу устойчивости (при том, что процессы регулирования должны быть сходящиеся);

2) к статической точности (величине допустимой ошибки регулирования в равновесном режиме);

3) к качеству переходного процесса (процессы должны быть не только сходящиеся, но и быстро затухающие);

4) к динамической точности - к величине ошибок (отклонений) в переходном процессе при наличии непрерывно изменяющихся воздействий.