При эксплуатации паротурбинных установок используют энергетические характеристики конденсаторов, включающие зависимости давления отработавшего пара и недогрева охлаждающей воды до температуры насыщения в паровом пространстве конденсатора от его паровой нагрузки, температуры охлаждающей воды на входе и расхода охлаждающей воды. Энергетические характеристики могут быть получены в ходе тепловых испытаний, однако их проведение сопряжено с эксплуатационными затруднениями. Поэтому для разработки энергетических характеристик используют результаты поверочных тепловых расчетов конденсаторов. Опубликован ряд апробированных методик поверочного теплового расчета конденсаторов, но при решении практических задач для обеспечения приемлемой точности результатов необходима корректировка выбранной методики применительно к техническому состоянию конкретного объекта. В связи с этим актуальной для энергетической отрасли является задача разработки методики идентификации математических моделей конденсаторов паровых турбин по малой выборке экспериментальных данных, представленной результатами экспресс-испытаний конденсатора либо данными эксплуатационных наблюдений. Используются опубликованные методики поверочного теплового расчета конденсаторов паровых турбин, методы экспериментальных исследований, математической статистики и теории вероятностей. Разработана методика идентификации математических моделей конденсаторов турбин по малой выборке экспериментальных данных, предусматривающая уточнение выбранной базовой методики поверочного теплового расчета путем введения поправочного множителя к коэффициенту теплопередачи. Поправочный множитель определяется по условию минимального рассогласования расчетных и экспериментальных значений показателей эффективности конденсатора для условий каждого из опытов, составляющих выборку экспериментальных данных, с последующей разработкой эмпирического обеспечения модели в виде статистической зависимости поправочного коэффициента от режимных или конструктивных факторов. Предложенная методика обеспечивает разработку по малой выборке экспериментальных данных математической модели конденсатора, позволяющей с приемлемой для решения практических задач точностью рассчитать энергетические характеристики конденсационной установки для условий эксплуатации конкретной паровой турбины.
Вестник Ивановского государственного энергетического университета
2017. — Выпуск 1
Содержание:
Решение актуальных для электроэнергетики задач проектирования, исследования и эксплуатации энергосистем основывается на использовании полной и достоверной информации о процессах в оборудовании и энергосистеме в целом. Ввиду известной специфики энергосистем, основным способом получения такой информации является математическое моделирование. Однако доминирующее сугубо численное моделирование и различные программно-вычислительные комплексы его реализации далеко не всегда обеспечивают необходимую полноту и достоверность указанной информации в связи с неизбежно возникающей необходимостью применять весьма существенные упрощения и ограничения. В связи с чем особо важной и обязательной становится верификация этих средств. Для верификации в качестве источника данных использовано созданное гибридное средство моделирования энергосистем, в котором на аналоговом уровне для методически точного решения математических моделей оборудования и энергосистемы в целом используется непрерывный неявный метод интегрирования, для воспроизведения всевозможных продольных и поперечных коммутаций, а также для естественного формирования узлов моделируемых трехфазных схем используется физический уровень, а задание параметров и управление моделированием в целом осуществляются на цифровом уровне. Представлены результаты выявления и анализа причин существования проблемы достоверности и верификации цифровых средств моделирования энергосистем, связанных с численным интегрированием жестких нелинейных систем дифференциальных уравнений большой размерности. Разработана концепция верификации средств моделирования энергосистем, основанная на использовании гибридного средства моделирования, позволяющая осуществить верификацию на основе данных только квазиустановившихся режимов, полученных от оперативно-информационных комплексов. В рамках одностороннего численного подхода к моделированию проблема верификации неразрешима из-за отсутствия в обозримой перспективе необходимых натурных данных для всего значимого спектра режимов и процессов. Единственным способом решения проблемы является использование средств моделирования, позволяющих получить необходимый объем данных, эквивалентных натурным.
Ключевые слова
Распространение в энергетике новых типов генерирующих и распределительных систем, с одной стороны, и расширение технических возможностей регулирования с помощью устройств силовой электроники, с другой, стимулируют синтез алгоритмов управления, которые обеспечивали бы устойчивую работу электрогенератора в локальной сети с учетом ее особенностей и ограничений. Оптимальные настройки АРВ, реализующего ПИД или ПДД-управление, остаются актуальным направлением теории регулирования. Наряду с этим синтез систем, оптимальных по степени устойчивости при числе настраиваемых параметров более трех, остается малоизученным в связи с крайней сложностью возникающих оптимизационных проблем. Нелинейная модель синхронного генератора с АРВ, реализующим ПИДД-управление, построена в Matlab (Simulink) и линеаризована относительно действующих значений установившегося режима. Оптимальные по степени устойчивости расположения полюсов линейной САУ найдены алгебраическими средствами с помощью анализа критических корневых диаграмм, что позволяет определять оптимальные и субоптимальные расположения без ненадежных и обременительных численных процедур. Контроль переходных процессов и качественная оценка подавления типичного возмущения проводились в нелинейной модели. Для четырехпараметрической ПИДД-системы найдено экстремальное расположение полюсов с практически неограниченной степенью устойчивости, что достигается при чрезмерных значениях параметров регулирования. При фиксации интегрального либо пропорционального коэффициентов управления оптимизацией по трем параметрам получено удовлетворительное время подавления возмущения при отсутствии перерегулирования. Настройка ПИДД-управления позволяет достигать практически любой степени устойчивости линеаризованной модели генератора с АРВ за счет соответствующего увеличения коэффициентов регулирования. Целесообразным оказывается поиск оптимального регулятора с заданием приемлемого значения одного из коэффициентов. Это открывает перспективу стабилизации этим же методом двух- и трехмашинных систем АРВ сильного действия в локальных сетях электроснабжения.
Ключевые слова
Механические напряжения в зубцах электрических двигателей и их деформации вследствие действия электромагнитных сил не должны превышать допустимых значений. Существующие методики позволяют определять механические напряжения в зубцах и их деформации при синусоидальном питающем двигатель напряжении. Современные электротехнические установки часто используют системы частотного управления с несинусоидальным питающим напряжением от преобразователей частоты. Наличие высших временных гармоник напряжения вызывает дополнительный спектр электромагнитных сил в электродвигателе. В связи с этим необходима оценка влияния несинусоидальности питающего напряжения на напряжения смятия зубцов асинхронных двигателей. Использована разработанная имитационная модель асинхронного частотно-регулируемого электропривода в среде Simulink пакета Matlab, применен метод разложения кривой напряжения на временные гармоники, использованы методы спектрального анализа токов и конечно-элементного моделирования электромагнитных полей, сил и изгибающих моментов, метод определения суммарных механических напряжений. Разработана методика оценки влияния несинусоидальности питающего напряжения на напряжения смятия зубцов асинхронных двигателей, которая учитывает форму несинусоидальности, в том числе в виде широтно-импульсной модуляции, зубчатость сердечников статора и ротора, электромагнитное состояние двигателя, спектр временных и пространственных гармоник электромагнитных сил. Оценены напряжения смятия зубцов статора асинхронного двигателя при синусоидальной форме питающего напряжения и при питании от преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения. Несинусоидальность питающего напряжения вызывает появление спектра временных гармоник напряжения, дополнительного спектра электромагнитных сил в электродвигателе, что изменяет напряжения смятия и деформацию зубцов. Разработанная методика позволяет проводить оценку влияния несинусоидальности питающего напряжения на напряжения смятия зубцов асинхронных двигателей. Применение преобразователей частоты с широтно-импульсной модуляцией для питания асинхронных двигателей, по сравнению с источником синусоидального напряжения, приводит к увеличению изгибающего момента и напряжения смятия зубцов статора до 10 %, по сравнению с синусоидальным питающим напряжением. Повышение несущей частоты широтно-импульсной модуляции снижает дополнительную деформацию зубцов асинхронных двигателей.
Ключевые слова
Использование электромехатронных модулей во многих случаях внедрения характеризуется тем, что параметры механики либо изменяются, либо определить их затруднительно. Основной тренд в решении этой проблемы - использование дополнительных контуров идентификации и адаптации. Возможен вариант в использовании регуляторов со сложной алгоритмической конструкцией на основе нейронных сетей, нечеткой логики и генетических алгоритмов. Такие решения не всегда подходят для случаев, где требуется высокое быстродействие и конкурентоспособная цена. Системы позиционирования электромехатронных модулей, настроенные на динамику Бесселя, обладают простыми по структуре регуляторами положения. В этой связи теоретическое и практическое обоснование фиксированной настройки регуляторов на определенное значение приведенной инерции механики представляется актуальным и составляет предмет настоящего исследования. Анализ характеристик статических и астатических систем позиционирования выполнен на основе методов современной теории автоматического управления с учетом требований, обусловленных областью практической реализации электромехатронной системы. Характеристики систем позиционирования получены с помощью средств символьной математики MathCAD и моделирования в среде Simulink (Matlab) с использованием инструментов Linear Analysis. На основе методов классического анализа систем управления и возможностей компьютерной математики обоснованы возможность и эффективность фиксированной настройки статических и астатических регуляторов систем позиционирования электромехатронных модулей с жесткой механикой при изменении параметров инерции механики в широких пределах. Рекомендации о фиксированной настройке статических и астатических регуляторов положения на максимальное значение приведенной инерции механики получили теоретическое обоснование. Системы позиционирования электромехатронных модулей с такой настройкой демонстрируют стабильность характеристик.
Ключевые слова
Известно, что в настоящее время существенно возросли требования к точности систем управления, что делает актуальными методы компенсации влияния внешних воздействий. Возможности традиционного метода повышения точности путем увеличения коэффициента усиления системы ограничены резким уменьшением степени устойчивости, т.е. робастности системы, и увеличением перерегулирования и колебательности ее переходных процессов. В особенности, эти ограничения проявляются в системах с управлением по отклонению. В целях преодоления этих сложностей был предложен метод абсолютной инвариантности, обеспечивающий полную компенсацию влияния на ошибку системы любых ограниченных воздействий. Однако соответствующие системы могут быть реализованы лишь в очень редких случаях. Практически всегда могут быть реализованы системы оптимального управления, но в системах этого типа ошибка лишь минимальна и не может быть нулевой. Таким образом, для решения задачи резкого повышения точности систем управления необходим метод полной компенсации влияния внешних возмущений на ошибку системы, свободный от указанных недостатков. Для решения задачи полной компенсации влияния внешних воздействий на ошибку системы используется свойство селективной инвариантности и принцип управления по выходу и воздействиям. Параметрическая грубость свойства селективной инвариантности достигается хза счет применения принципа внутренних спектральных моделей, который реализуется на основе K(p)-изображений внешних воздействий. Управление по выходу и воздействиям позволяет устранить противоречивость требований по устойчивости и точности, а также обеспечить реализуемость устройства управления. Разработан аналитический метод синтеза физически реализуемых, селективно инвариантных систем управления, в которых полностью компенсируется влияние на ошибку системы внешних воздействий с известными K(p)-изображениями. Установлено, что ошибка системы, обусловленная этими внешними воздействиями, остается нулевой при отклонениях от расчетных значений большинства, кроме спектрозадающих, параметров системы до тех пор, пока она остается устойчивой. Управление по выходу и воздействиям с использованием принципа внутренних спектральных моделей позволяет аналитическим методом с применением современных информационных технологий создавать системы управления повышенного качества для различных отраслей народного хозяйства.
Ключевые слова
Применение в судовой единой электроэнергетической системе мощных статических преобразователей, являющихся нелинейной нагрузкой и соизмеримых с мощностью источников, вызывает существенные искажения напряжения в судовой сети. Это отрицательно сказывается на работе многих элементов электростанции, и в первую очередь таких потребителей, как системы автоматики и управления судном. Решение данной проблемы заключается в использовании в составе электростанции стояночного дизель-генератора, выполняющего в настоящее время функции аварийного и специального источника, обеспечивающего живучесть судна. В связи с этим для ряда судов требуется постоянная работа стояночного генератора, при этом его нагрузка будет изменяться в широком диапазоне - от номинальной до минимального значения (20-30 % от P). Актуальным направлением является разработка и создание дизель-генераторных установок, работающих с изменяемой частотой вращения приводного двигателя в зависимости от нагрузки генератора, обеспечивающих ощутимую экономию топлива (до 10-20 %) в судовой единой энергетической системе. В настоящее время ведутся активные исследования в области моделирования и создания таких установок, однако вопрос поддержания постоянства выходного напряжения и частоты требует проработки. Математический расчет, моделирование генераторного агрегата с изменяемой и фиксированной частотой вращения осуществлены в пакете MATLAB Simulink с использованием библиотеки SimPowerSystems, расчет - методом Рунге-Кутта (ode4) с фиксированным шагом. В модели учтены изменения индуктивных составляющих при изменении частоты напряжения на выходе генератора, а также смоделирована кривая намагничивания с учетом насыщения. Дизельный двигатель рассматривается без учета изменения тепловых потерь в разных режимах работы. Разработана блок-схема и модель генераторного агрегата с системами автоматического регулирования частоты вращения дизеля, напряжения синхронного генератора, частоты и амплитуды выходного напряжения преобразователя частоты. Для этих систем определены оптимальные параметры и настройка элементов. Предложенные системы регулирования параметров выходного напряжения на нагрузке показали высокую статическую и динамическую точность амплитуды и синусоидальность формы благодаря применению простого фильтра низкой частоты. Как показало моделирование, при изменении активной нагрузки синхронного генератора происходит изменение частоты вращения дизеля, что позволяет достигнуть снижения расхода топлива (максимальная экономия составляет 16-22 %), при этом напряжение генератора остается номинальным и поддерживается с высокой точностью.
Ключевые слова
Обеспечение надежности и бесперебойности подачи газового топлива является одной из актуальных задач для систем генерации энергии. Проектирование и строительство газопроводов требуют проведения технической и экологической экспертиз последствий аварийных истечений газа через порывы трубопровода. Опорожнение участка газопровода представляет собой сложный нестационарный процесс, в котором все важнейшие параметры взаимосвязаны. Для оценки технологического и экологического ущербов весьма важно знать динамику истечения. Это позволит обоснованно планировать выполнение ремонтных работ. В большинстве известных работ исследуемый процесс рассматривается как изотермическое истечение идеального газа, что может привести к значительным ошибкам. В связи с этим возникает необходимость создания математической модели рассматриваемого процесса и ее компьютерной реализации. Для описания критического и докритического процессов истечения газа использованы методы газовой динамики реального газа, для расчета его теплофизических параметров - кубическое уравнение состояния и эмпирические зависимости. Построена математическая модель нестационарного процесса опорожнения отключенного и работающего участков газопровода с учетом теплообмена с окружающей средой, а также изменений теплофизических свойств реального газа и гидравлических потерь при его движении к месту порыва. Представлены результаты компьютерной реализации построенной модели и вычислительных экспериментов. Показано влияние учета неидеальности газа, изменения его свойств в процессе истечения и гидравлических потерь при движении к порыву на основные характеристики процесса. Предлагаемая математическая модель и ее компьютерная реализация позволяют для аварийно отключенного участка газопровода прогнозировать динамику опорожнения, а для работающего участка - локализацию порыва по изменению давления и расхода газа в конце участка. Увеличение точности расчетов достигается за счет отказа от ряда обычных допущений. Методика рекомендуется к использованию для планирования ремонтных работ.
Ключевые слова
Существующая в настоящее время в РФ система тарифообразования на электроэнергию для конечных потребителей никак не учитывает разницу в уровнях надежности энергоснабжения различных категорий потребителей. Как следствие, потребители с низшей категорией надежности в своем тарифе частично оплачивают затраты на поддержание более высокого уровня надежности электроснабжения потребителей 1 и 2 категории, что порождает проблему перекрестного субсидирования. При этом, в отличие от общепризнанного перекрестного субсидирования промышленными потребителями в пользу коммунально-бытовых, имеет место противоположное направление субсидирования, т.е. в пользу крупных промышленных компаний, которые, как правило, относятся к более высоким категория надежности. В результате искажаются ценовые сигналы, что не позволяет формировать полноценные рыночные механизмы регулирования экономических отношений в электроэнергетике. Исследование проведено с применением методов сравнительного, содержательного, экономического анализа, метода анализа размерностей. В качестве исходных данных использованы внутрифирменные технико-экономические показатели ОАО «Объединенные электрические сети». Предложена авторская методика формирования дифференцированных по уровню надежности тарифов на электроэнергию для конечных потребителей, которая количественно подкреплена результатами ее апробации для решения задачи распределения затрат на надежность функционирования конкретного участка электрической сети. Разработанная методика обеспечивает формирование дифференцированных тарифов на электроэнергию для различных категорий потребителей с учетом заявленного ими уровня надежности энергоснабжения. Предлагаемое методическое решение позволяет решить проблему перекрестного субсидирования потребителей высоких категорий надежности за счет потребителей 3 категории надежности, т.е. основной массы потребителей электроэнергии. Тем самым обеспечивается расчет экономически справедливой платы за электроэнергию для конечных потребителей, а также формирование прозрачной структуры тарифа для всех субъектов электроэнергетического рынка.
Ключевые слова
В настоящее время уровень волатильности спроса на электропотребление на уровне ЕЭС России оценивается как крайне высокий, что приводит к увеличению стоимости электроэнергии для всех потребителей энергосистемы. Несмотря на значительный экономический эффект, получаемый от выравнивания спроса на электропотребление на уровне ЕЭС России, и одновременно высокую актуальность вопроса снижения стоимости электроэнергии на уровне экономики страны в целом, в механизмах оптового и розничного рынков электроэнергии России до сих пор отсутствуют инструменты, направленные на выравнивание спроса на электропотребление. Анализ исследований российских ученых, посвященных этому вопросу, позволяет констатировать, что основное внимание в них уделяется вопросам оценки эффективности системы управления спросом, а не задачам и сложностям практического внедрения инструментов управления спросом. Вместе с тем среди российских исследований недостаточное внимание уделяется оценке и анализу параметров и волатильности спроса на электропотребление на мезоуровне, что, по нашему мнению, должно являться отправной точкой в разработке и внедрении системы управления спросом на электропотребление в России. Таким образом, представляется актуальным провести оценку и анализ параметров волатильности спроса на мезоуровне с последующей разработкой рекомендаций по управлению спросом для схожих региональных групп. Использованы характеристики почасового спроса на электропотребление в России на мезоуровне. Результаты обработаны методами анализа и синтеза, статистическими методами вариационного и корреляционно-регрессионного анализа, экономико-математическими методами анализа данных. Проведено исследование параметров спроса на электропотребление на мезоуровне. Предложен ряд авторских показателей для оценки и анализа спроса на электропотребление - коэффициент волатильности годовой нагрузки, коэффициент заполнения суточного графика нагрузки, позволяющие получить комплексную картину волатильности спроса на электропотребление в рамках различных временных периодов. Дан анализ факторов, влияющих на волатильность спроса на электропотребление на мезоуровне, и выявлены наиболее значимые из них. Разработана карта регионального спроса на электропотребление в России и произведена группировка регионов по уровню волатильности спроса на электропотребление. Для каждой из выявленных групп регионов разработаны рекомендации по управлению спросом с учетом выявленных особенностей, направленные на снижение уровня волатильности и, как следствие, снижение затрат на содержание и обслуживание энергосистемы. Полученные результаты исследования имеют высокую теоретическую и практическую значимость, проявляющуюся в возможности их использования при разработке и реализации управленческих решений в области управления спросом на электропотребление как на мезоуровне, так и на уровне страны в целом в целях сокращения объемов электропотребления и повышения эффективности использования энергетических ресурсов.