Разработка адаптивной системы регулирования давления пара на выходе парового котла

В современных условиях интенсивного развития производства возрастает актуальность создания высокосовершенных адаптивных регуляторов. Это связано с тем, что процессы регулирования и регулируемые объекты непрерывно усложняются, а время, отводимое на их разработку сокращается.

В процессах эксплуатации паровых котлов, оборудованных большим количеством горелочных устройств, появление химического недожога определяет нижнюю границу установления подачи воздуха на горение. Эта граница зависит от многих факторов: состава топлива, характеристик и эксплуатационного состояния горелочных устройств, выбранной технологии сжигания топлива, компоновки топочно-горелочных устройств, нагрузки парового котла и может многократно меняться как в течение ограниченного промежутка времени, так и при длительной эксплуатации оборудования [1].

Регулирование процессов, протекающих в паровом котле, можно разбить на следующие контуры:

1. Регулирование давления пара на выходе котла. В каждый момент времени в топке котла должно сгорать столько топлива, чтобы количество пара, вырабатываемое котельным агрегатом, соответствовало количеству потребляемого пара, т.е. внешней нагрузке котла. Показателем такого соответствия является давление пара на выходе котла. Подача топлива должна производиться так, чтобы обеспечить постоянное давление пара на выходе котла. Регулирующее воздействие осуществляется за счет изменения положения клапана на линии подачи, снабженного электроприводом.

2. Регулирование подачи воздуха по соотношению «топливо-воздух». Подача воздуха в топку в строго определенном объеме обеспечивает наиболее экономичный режим горения топлива. При недостатке воздуха происходит неполное сгорание топлива, а не сгоревший газ выбрасывается в атмосферу, что экономически и экологически недопустимо. При избытке воздуха газ сгорает полностью, но в этом случае остатки воздуха образуют двуокись азота – вредное для человека и окружающей среды соединение. Поэтому необходимо поддерживать строгое соответствие между количеством подаваемого топлива, с одной стороны, и количеством воздуха, необходимого для горения, с другой. Регулирующее воздействие осуществляется подачей управляющего сигнала на изменение положения направляющего устройства вентилятора.

3. Регулирование разрежения в верхней части топочной камеры котла. Разрежение в различных зонах топочного пространства котла неодинаково, вследствие явления самотяги разрежение в верхней части топки обычно на 0,1 кПа больше, чем в нижней. Необходимо поддерживать оптимально минимальное разрежение в верхней части топочной камеры. Регулирующее воздействие осуществляется на направляющее устройство дымососа.

4. Регулирование уровня воды в барабане котла. Параметром, характеризующим баланс между отводом пара и подачей воды в котел, является уровень воды в барабане котла. Надежность работы котла во многом определяется качеством регулирования уровня. Регулирующее воздействие осуществляется изменением положения регулирующего клапана на линии подачи питательной воды.

Паровой котел как объект регулирования давления пара, с учетом динамики изменения состава топочного газа, является нестационарным. Динамика изменения значения коэффициента избытка окислителя заключается в том, что состав газообразного топлива обычно быстро меняется, и выбор необходимого коэффициента избытка окислителя для процесса сжигания всегда будет неточным. Также при большом количестве горелочных устройств в паровых котлах, когда происходит рассогласование или отклонение условий работы некоторых из них от оптимальных условий, что является типичным явлением промышленной эксплуатации паровых котлов, при эксплуатации котлов идут на сознательное завышение избытков воздуха при сжигании топлива. Обслуживающий персонал энергоблоков или котельных установок, в силу физических возможностей машинистов котлов, не может устранить эти явления с постоянным строгим откликом изменений режима сжигания топлива на текущие изменения режимов эксплуатации котельных установок. Вследствие чего при промышленной эксплуатации котельных установок всегда наблюдаются отклонения как в сторону занижения, так и в сторону завышения коэффициентов избытка воздуха от оптимальных . Поэтому для определения оптимального значения коэффициента избытка окислителя существующими анализаторами газа, необходимо принять математическую модель, учитывающую динамику изменения концентрации токсичных компонентов вдоль канала пробоотборных устройств [2]. При указанной организации подвода топлива регулированию подлежит давление пара в нестационарном нелинейном обобщенном объекте, включающем датчик, исполнительный механизм с запорно-регулирующим органом с нестационарными нелинейными характеристиками.

В данной статье предлагается адаптивное регулирование давления пара на выходе парового котла с учетом динамического изменения значения коэффициента избытка окислителя, обусловленного нестационарной концентрацией топочного газа. Регулирующее воздействие осуществляется подачей сигнала на изменение положения направляющего устройства вентилятора нагнетателя воздуха, а подача топлива в паровой котел поддерживается при постоянном соотношении «топливо-воздух». Структурная схема системы автоматического управления с адаптивным регулятором пред­ставлена на рисунке 1. Принятые обозначения: РЕ – датчик давления пара, с унифицированным токовым сигналом на выходе; QE – анализатор концентрации токсичных компонентов в топке парового котла, включающий в себя пробоотборное устройство и сам анализатор; РС – регулятор. Для осуществления адаптивного регулирования процесса горения в паровом котле предполагается использование программируемого логического контроллера ОВЕН ПЛК 308, управляющая программа для которого разрабатывается в среде CoDeSys, на одном из языков стандарта МЭК 61131-3. Среди преимуществ контроллеров ОВЕН ПЛК 308 необходимо отметить:

• контроллеры имеют открытую архитектуру на основе ОС Linux, что облегчает их встраивание в вертикально интегрированные среды разработки;

• контроллеры имеют мощные аппаратные ресурсы: быстродействующий процессор и большой объем оперативной (SDRAM) и энергонезависимой (Flash) памяти

• встроенные часы реального времени;

• возможность программирования контроллеров в 2-х, наиболее распространенных средах программирования контроллеров: CoDeSys 3.x и Isagraf 5

• набор готовых программных модулей, предоставляемых бесплатно.

На сегодняшний день CoDeSys (Controller Development System) - это самый популярный в мире аппаратно независимый комплекс для прикладного программирования промышленных логических контроллеров. Основным его компонентом является среда программирования на языках стандарта МЭК 61131-3. Комплекс работает на компьютере. Программы компилируются в машинный код и загружаются в контроллер. Любую задачу, которая имеет решение в виде программы, можно реализовать в CoDeSys. Простота и удобство именно для конечного пользователя – это стержневая идея CoDeSys. Она позволяет пользователям, хорошо знающим устройство машин, технологию соответствующего производства, но не владеющих программированием решать многочисленные производственные задачи.

Рис. 1. Структурная схема оптимальной адаптивной системы
управления процессом горения

Адаптивный регулятор отличается от традиционного, который, как правило, содержит только измерительные устройства и блок управления, наличием дополнительных блоков оптимального оценивания и идентификации. Оптимальное управление возможно лишь при условии оптимальной обработки информации [3].

Технология адаптивного регулирования позволяет полностью автоматизировать процесс настройки контуров регулирования промышленного объекта управления с различными видами и величинами запаздывания. Она позволяет полностью отказаться от использования обычных методов идентификации динамики объекта и расчета оптимальных параметров настройки регуляторов.

Это значит, что потребитель, использующий адаптивное регулирование получает возможность:

• сократить время настройки контуров регулирования и требования к квалификации персонала;

• гарантировать наилучшее качество управления в любой момент времени;

• обеспечить непрерывный процесс подстройки параметров регулятора под изменяющиеся динамические свойства объекта управления;

• экономить до 5% сырья и энергоресурсов по сравнению с неоптимально настроенным классическим ПИД регулятором.

Разрабатываемые варианты систем управления с адаптивными регуляторами, реализующими принципы структурной и параметрической адаптации, относятся к системам с дискретным временем. Свойства объекта управления, подлежащего управлению, включая математическую модель, полагаются неизвестными. Непрерывное время разбивается на циклы, самым коротким интервалом времени является шаг. Входной величиной является сигнал рассогласования между задающим воздействием и выходной величиной управляемого объекта. Сигнал рассогласования с помощью алгоритмов оценивания на основе фильтров Калмана обрабатывается на каждом шаге. В блоке оптимальной идентификации по выбранному показателю, измеряемому и вычисляемому в ходе самого процесса управления, связанного с качеством, точностью регулирования на каждом цикле или на протяжении ряда циклов, осуществляется автоматический выбор порядка модели оцениваемого процесса. На выходе системы устанавливается экстраполятор нулевого порядка, обеспечивающий кусочно-постоянную экстраполяцию и обновление сигнала управления на каждом цикле. В течение цикла положение органа управления остается неизменным. Самоорганизация системы управления, следовательно, осуществляется с помощью взаимосвязанных принятых алгоритмов оценки состояния системы, фильтрации входной информации, структурной и параметрической адаптации автоматически формируемой модели, и, наконец, автоматически определяемых оптимальных управляющих воздействий.

Оптимальное оценивание состояния и идентификация параметров и характеристик объекта управления реализуется на основе экспериментальных данных. Оценивание состояний - это определение текущих значений таких переменных процесса, которые не могут быть измерены непосредственно или могут быть измерены лишь с большими погрешностями [4]. В данном случае оценивается значение коэффициента избытка окислителя рассчитанное на основе данных полученных с анализатора газа. Алгоритмы оценивания и идентификации позволяют определять структуру модели объекта и восстанавливать параметры этой модели, т.е. реализовывать принципы как структурной, так и параметрической адаптации.

Таким образом, для регулирования давления пара парового котла замена традиционных методов регулирования с постоянной настройкой на адаптивное регулирование на базе промышленных логических контроллеров приведет к ряду важных последствий, а именно:

• построение алгоритма адаптивного управления, предусматривающего оперативную коррекцию подачи воздуха с учетом упреждающего измерения состава топочного газа и его объема, регулируемого давлением пара на выходе парового котла;

• влияние факторов, связанных с изменением значения коэффициента избытка окислителя, будет регулироваться автоматически до пределов отведенных управляющим воздействием;

• алгоритмы оценивания и идентификации способствуют относительной простоте программного обеспечения регулятора, возможности его реализации на промышленных контроллерах.

Литература:

1. Липов Ю. М. Котельные установки и парогенераторы. - Ижевск: Регулярная и хаотическая динамика, 2003. - 592 с.

2. Арыстанбаев К.Е., Апсеметов А.Т.. Метод определения концентрации оксида углерода в высокотемпературных процессах горения // Автоматизация в промышленности. №8. 2012.-C.60-63.

3. Автоматизация процессов принятия решений в системах управления /В.С.Симанков, Ю.К.Лушников, В.А.Морозов и др.: Аналитический обзор, 1970 - 1985 гг., N4087. - М.: ЦНИИТЭИ, 1986. - 42 с.

4. Симанков В.С., Луценко Е.В. Моделирование принятия решений в адаптивных АСУ сложными системами на основе теории информации //Информационные технологии. 1999. N2. - С. 8-14.