Моделирование и анализ частотно-регулируемого электропривода питательного насоса энергоблока с ВВЭР-1000

Актуальность темы

Одним из важнейших элементов АЭС с ВВЭР является парогенераторв котором за счет тепловой энергии, выделяемой в реакторе, образуется пар, подаваемый, под большим давлением в паровую турбину. Производительность парогенератора в большой степени зависит от режима функционирования пита1 тельных насосов, обеспечивающих подачу воды в парогенератор: Эффективность работы последних, с точки зрения’энергопотребления, определяется качеством управления и регулирования электропривода насоса. Например, питательные насосы-'энергоблокаАЭС • сВВЭР-1000 потребляют около 1,5% произ-. водимой электроэнергии. В:-условиях неравномерности суточного графика нагрузок использование системь1 преобразователь, частоты — асинхронный двигатель (ПЧ-АД) позволяет. уменьшить, этот показательи тем самым увеличить выработку’полезной энергии. Однако,"наряду.с экономичностью, большое значение играет обеспечение. надежной, безаварийной* работы электростанции. Разработка способов и систем высоконадежного управленияприводом насоса с* учетом неравномерности нагрузки, а также возможного изменения’внутренних, параметров энергоблока дает возможность обеспечить высокий. уровень: качества и. надежности всей паропроизводящей установки ¦ аименно обеспечить • неизменный. уровень. воды в парогенераторе во всех режимах работы энергоблока. В* связи, с*, этим задача-, дальнейшего^ совершенствования., математических средств" анализасинтеза." регулирования^ питательных насосов, на базе системы, ПЧ-АД^. обеспечивающих, высокий уровень надежности / и: .энергосберегающего управления-, сложнымитехнологическими-.объектами в рамках' систем' водоснабжения тепловых генерирующих комплексов является актуальной.'.

Тематикадиссертации соответствует одному из. оснрвных научных направлений Воронежскогогосударственного технического университета «Программно-аппаратные электротехнические' комплексы. и. системы» (ГБ2004.18 «Разработка информационных технологий автоматизированного проектирования и управления-сложными электромеханическими системами»). Цель и. задачи исследования. Целью работы является разработка средств повышения эффективности управления электроприводом питательных .' насосов' на основе -' реализации метода частотного регулирования, обеспечивающих высоконадежную работу тепловых генерирующих комплексов в условиях повышенных требованиибезопасности и энергосбережения.

В соответствии с данной целью, в работе, поставлены и решены’следую-щиезадачи: ' -. • • • • ¦

1 .Произвести анализ подходов к задаче, поддержания уровня, воды в парогенераторе при различных типах возмущения, разработать структурную модель объекта исследования-, учитывающую характеристики., элементов пароге-нераторной установки.

•• '" 1. Разработать структурную-мод ёль. объекта исследования- .ориентированную на. анализ динамических* и статических свойств объекта-исследования с максимальной точностью за. счет, учета' характеристик элементов парогенера-торной установки- '•. ¦ •. .•-••.

3. Разработать. структуру системы, управления питательным насосом энергоблока, с включением' в контуруправления регулятора: с переменной структурой, а также Сдатчика в. контур расхода пара, обеспечивающую требуемую. реактивность системы-. '.-'•. .

4V Разработать регулятор с переменной структурой, позволяющий улучшить энергетические: показатели и показатели надежности.-энергоблока иосуществить его адаптацию к специфическим особенностям объекта управления- •.

5. Провести. исследования на основе моделирования режимов работы па-рогенераторной .установки по программам р2 =.const й р2 = var. Осуществить сравнительный анализ разработанных моделей с ПИ-регулятором и с регулятором с переменной структурой приотработке случайных. возмущающих воздействий и выявить характерные особенности каждой модели. Провести вычислительные эксперименты и сравнительный анализ с архивными данными. • -6. Разработать комплекс, программнр-аппаратного обеспечения. системы управления1, питательным насосом энергоблока, обеспечивающийтребуемые показатели точности и быстродействия. '. V.

Методы исследования. В работе использовались методы теории элек-•. троприво’да, теории автоматического управлениятеории теплоэнергетики, чис- • ленные и. аналитические методы решения дифференциальных уравнений, теории «моделирования:

Научная новизна. В! работе получены следующиерезультаты, отличающиеся научной новизной:. •.

—. — разработана математическая* модель объекта.-, управления^, отличающаясякомплексным учетом/ процессов протекающих в парогенераторной. установке-' ¦.. ' Л .'¦'.,.- ' •¦/.. ' ': ' • '. • • ¦ «.

-¦ предложена структура системы: управления, питательным насосом энергоблока, отличающаяся включеыием в контур управления регулятора с переменной структурой, а также датчика в контуре расхода пара, обеспечивающая требуемую реактивность системы- ¦. — • /.

— предложенрегулятор с переменной: структурой и-осуществленаего адаптация к специфическим особенностям объекта управления, который обеспечивает. существенное. улучшение энергетических показателей и показателей надежности работы энергоблока;

— разработана структурная модель объекта исследованияпозволяющая провести: анализдинамических, и статическихсвойств объекта исследования с максимальной, точностью за счет учета характеристик элементов парогенера торной’установки средствами инструментальнойсистемы моделирования- ':—'" .

— предложен комплекс программно-аппаратного обеспечения. системы управления: питательным насосом^ энергоблока, обеспечивающий требуемые показатели точности и быстродействия.

Практическая значимость работы. Практическую, ценность: диссертационной работы составляют:

-.структура системы питательных насосов обеспечивает поддержание номинальной мощности энергоблока при выходе из строя любых двух основных, питательных насосов-. — •.

•- разработаннаясистема, поддержания уровня воды в парогенераторе позволит более достоверно получать информацию о процессах в парогенераторе зй: счетприменениянепосредственногоизмерёниярасхода пара;

-^внедрение регулируемого электропривода питательного насосаобеспечивающего устойчивуюработу .во всём диапазонерегулированиябезухудшенияего динамических характеристик позволит сократить потери энергии на собственные нужды., Реализация результатов" работы. Полученные теоретические и экспе-рйментальные: результатыдиссертационной работывнедрены в учебныйпроцесс кафедры автоматики и информатики в. технических системах Воронежского: государственного технического университета при изучении дисциплин «Моделирование электроприводов» и «Системы управления электроприводами». -: •. , Апробация* работы. Основные положения? диссертационной работы докладывались .на, Всёроссийской научноттехническойконференций «Электроэнергетика, энергосберегающие технологии». (Липецк, .2004) — на Всероссийский конференции «Новыетехнологии в научных исследованиях, проектировании, управлениипроизводстве» (Воронеж. 2011), на научно-технических конференциях, профессорско-преподавательского состава и — аспирантов кафедры, автомат тики .и .инфбрматики в. технических,-системах ВГТУ (Воронеж, 2006;2010) — а также на научных семинарах кафедры" автоматики и информатикив технических системах.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано'. 10 научных. работ, в. том числе. 4 —в изданиях, рекомендованных В АК РФ.

• :'В работах, опубликованных в соавторстве лично-соискателем предложены: в. [5, 6, 7] обоснование и целесообразность разработки электропривода питательного насосав [8] структурная схема трехимпульсной: системы, регулирования. уровня. для объектов с «эффектрм вскипания" — в [1] математическая модель системы регулирования уровня при частотном управлении питательным насосомв» [2]. математическая: модель электропривода питательного насоса с регулятором переменной структурыв [3, 4] анализ влияния возмущающих воз: действий на работу питательного: тракта энергоблока-. исследование, модели электропривода’питательного насоса в условиях неравномерности нагрузки. ¦ • •'. • Структура и объемработы. Диссертация состоит из введения-, четырёхглав, заключения-: списка литературы из 110'наименований, материал изложен на 163 страницах и содержит 64 рисунка, 3 таблицы й 1 приложение.

Выводы:

1. В результате моделирования и исследования работы двух схем регулирования подачи питательной воды можно сделать вывод о том, что вследствие запаздывания по каналу измерения расхода пара система р2 = уаг обладает большей инерцией по сравнению с системой р2 — соп&-. Величина запаздывания т х 40 с.

2: Схема при программе регулирования рг = уаг обладает большей экономичностью и позволяет снизить скорость вращения питательного насоса при отработке одного и того же задания регуляторамощности. Это обусловлено. тем, что питательному насосу необходимо создать напор меньше номинального. ' • .'..: ' ¦ - 3. Схему с р2 — уаг целесообразно применять в том случае, когда на грузка изменяется по заранее известной, программе, а схему р2 = рот! — врежимах сброса и наброса нагрузки.

4. При применении разработанной модели регулятора питания насоса быстродействие не ухудшилось: время выхода насоса на установившуюся характеристику составляет. ^ • 200 с. Уровень’воды в' парогенераторе при возмущениях по разным каналам (расход пара, расход воды) не выходит за пределы • допустимого. Статическая, ошибка уровня при: программе рг = уаг объясняется новым значением установившегося давления в парогенераторе. 5. Проведена комплексная оценка эффективности внедрения частотнорегулируемого электропривода питательного насоса,.которая показала. что экономический эффект выражается не только в количественном сокращении потребления электроэнергии на собственные нужды, но й в повышении надежности установки в целом/. .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Кроме^{известных} количественных оценок энергосбережения^ применение-преобразователей частоты для механизмов собственных нужд АЭС. позволяет обеспечить новые важные в эксплуатации энергоблоков возможности,.

— позволяет оптимизировать уровни нагрева поверхностей парогенераторов. при: разгрузках энергоблоков, за счет уменьшения температурных перекосов, что не только повышает надёжность их работыно и увеличивает ресурс- .

• г позврляет экономично проходить энергоблоком режим «скользящих» параметровпара,^что: обёспечивает. маневренность=и: высокую, эффективность, в этом режиме-. -.'-. .'•¦ - в часы максимальной нагрузки в энергосистеме, обеспечивает дополнительное повышениемощности энергоблока, вследствие исключения дросселирования- ¦. «.'.'. ¦,. .¦•'. — повышает в целом, ресурс тепломеханического и электрического оборудования, увеличивает межремонтныё: периоды-, В связи, с медленно меняющимися-режимами работы питательного насоса определяющими факторамиявляются статические характеристики. Наибольшее проявлёние. динамики привода происходит при пуске двигателя, с большими инерционными массами. •. ' ' - • • .-¦¦'.

Проанализировавпрограммы регулирования мощности. энергоблока: .-= сот1 (постоянная температурав первом: контуре), р2 = соп81 (постоянное давление во. втором контуре), Р2 = Уаг (скользящее* давление), можно: сделать вывод о целесообразности применёния-последней в рёжиме следования за нагрузкой." Устранение потерь на дросселирование врегулировочных клапанах турбины .при. частичных нагрузках позволяет повысить тепловую экономичность блока с ВВЭР-1000 на 2%. При. работе энергоблока на скользящем давлении пара уменьшается. величина противодавления в. питательном тракте, что позволяет снизить напор, развиваемый питательным насосом— а, следовательно, и потребляемую мощность. В. результате моделирования и исследования работы двух схем регулирования подачи питательной воды можно сделать вывод о том, что вследствие запаздывания по каналу измерения расхода пара система р2 = var обладает большей инерцией по сравнению с системой р2 — const. Величина запаздывания т «40 с. Однако применение непосредственного измерение расхода пара с помощью пневмометрической трубки, вместо косвенного метода, применяемого в настоящее время, позволяет улучшить динамику работы системы регулирования подачи питательной воды. По результатам исследования полученных моделей быстродействие не ухудшилось: время выхода насоса на установившуюся характеристику составляет «200 с. Уровень воды в парогенераторе при возмущениях по разным каналам (расход пара, расход воды) не выходит за пределы допустимого. Статическая ошибка уровня при программе р2 = var объясняется новым значением установившегося давления в парогенераторе. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что схему с р2 — var целесообразно применять в том случае, когда нагрузка изменяется по заранее известной программе, а схему р2 = const — в режимах сброса и наброса нагрузки.