Система управления для многовариантного регулирования теплоэлектростанции

Изобретение относится к энергетике. Система управления обеспечивает многовариантное регулирование теплоэлектростанции, содержащей: комплекс из котла и его вспомогательных устройств с подачей топлива в качестве источника тепла для контура рабочей текучей среды в паровой фазе в части указанного контура. При этом указанный пар питает турбину при давлении P и при температуре T, связанную с генератором, производящим электрическую мощность W. Питание паром характеризуется открыванием SR регулировочных клапанов на входе указанной турбины. Система содержит: контур регулирования давления пара P, контур регулирования электрической мощности W. По меньшей мере, один из контуров основан на управлении типа внутренней модели электростанции, при этом один из них учитывает чистую задержку одного из параметров внутренней модели, а переменную одного контура учитывают в качестве помехи в другом контуре. Изобретение позволяет повысить надежность управления теплоэлектростанцией. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к системе управления теплоэлектростанцией для генерирования электричества посредством сжигания топлива.

В частности, изобретение относится к устройству управления такой электростанцией, позволяющему осуществлять мониторинг мощности и одновременно обеспечивать соблюдение определенных критериев состояния нагретого пара, а также к теплоэлектростанции, содержащей такую систему, и к способу управления теплоэлектростанцией с применением такой системы управления.

Изобретение можно применять, например, для теплоэлектростанции, работающей на угле.

Уровень техники

В процессе управления теплоэлектростанцией необходимо учитывать ряд переменных физической системы.

Теплоэлектростанция, схематично показанная на фиг.1, позволяет производить электричество от источника тепла, питаемого топливом. Производством тепла управляют посредством подачи топлива GS в источник тепла, в данном случае в котел 103. Это тепло передается в рабочую текучую среду, циркулирующую в контуре, для ее перехода из жидкого состояния в газообразное состояние таким образом, чтобы эта рабочая текучая среда находилась в паровой фазе в одной части контура. Регулировочные клапаны, состояние которых определяется их открыванием SR, позволяют регулировать питание турбины 114. На ее входе состояние пара характеризуется определенным давлением Р и определенной температурой T. Пар обеспечивает вращение турбины 114, механически связанной с генератором 116, который производит электрическую мощность W.

Показанная на фиг.1 теплоэлектростанция будет подробнее описана ниже.

Традиционным подходом для управления такой теплоэлектростанцией является использование различных согласуемых друг с другом одновариантных регуляторов типа ПИ (пропорционально-интегральный). ПИ-регулятор обеспечивает регулирование в замкнутом контуре, которое позволяет корректировать погрешность между заданным значением и измеренным значением. ПИ-регулятор производит на погрешности двойное действие: пропорциональное - он умножает погрешность на фиксированный показатель, которым является коэффициент усиления, и интегральное - он интегрирует погрешность на определенном интервале времени и делит интегрированное значение на другой фиксированный показатель. Таким образом, в системе каждый регулятор переменной имеет входные и выходные данные.

Однако рассматриваемая система является многовариантной, то есть по меньшей мере один вход оказывает влияние на несколько выходов. Со временем стабильность многовариантных систем с такими одновариантными регуляторами ухудшается. К тому же этот многовариантный характер затрудняет параметризацию. Кроме того, поведение некоторых теплоэлектростанций меняется между высокой и низкой нагрузкой. Следовательно, регулирование должно отвечать критериям надежности, которые не обеспечиваются этими одновариантными регуляторами.

Можно также использовать многовариантные регуляторы типа H∞. Этот метод позволяет разработать оптимальное управление в соответствии с математическим стандартом для линейных систем. Однако поведение теплоэлектростанции, управляемой такой системой, не является вполне удовлетворительным.

Другим существующим подходом является применение предсказательного управления. Однако такое управление требует вычисления в реальном времени минимума квадратичной функции стоимости. Существующие установки часто не имеют необходимых для этого вычислительных ресурсов и объема памяти. Кроме того, этот подход требует применения сложных средств.

Таким образом, настоящее изобретение призвано предложить систему управления теплоэлектростанцией, позволяющую устранить эти недостатки.

В частности, изобретение призвано предложить систему управления теплоэлектростанцией посредством регулирования, обеспечивающего хорошую динамику по мощности, имеющую хорошие характеристики надежности, стабильности и скорости.

Изобретение призвано также предложить систему управления, которую можно легко внедрить в уже существующие теплоэлектростанции.

Раскрытие изобретения

Изобретение обеспечивает достижение этих результатов.

В связи с этим первым объектом изобретения является система управления для многовариантного регулирования теплоэлектростанцией, предназначенной для генерирования электричества посредством сжигания топлива и содержащей:

- комплекс, включающий в себя котел и его вспомогательные устройства, в которых применяют подачу топлива и которые являются источником тепла для контура рабочей текучей среды таким образом, чтобы она находилась в паровой фазе в части указанного контура,

- турбину, питаемую указанным паром при определенном значении давления пара и температуры, при этом указанная турбина механически связана с электрическим генератором, производящим электрическую мощность, при этом питание паром указанной турбины характеризуется открыванием регулировочных клапанов, находящихся на входе указанной турбины, при этом указанная система содержит:

- контур регулирования давления пара, имеющий управляющую переменную и заданное значение,

- контур регулирования электрической мощности, имеющий управляющую переменную и заданное значение,

при этом по меньшей мере один из контуров регулирования основан на управлении типа внутренней модели, учитывающем чистую задержку τ одного из параметров внутренней модели электростанции, при этом для каждого из контуров регулирования переменную одного контура учитывают в качестве помехи в другом контуре.

Первый объект изобретения можно дополнить следующими отличительными признаками, взятыми отдельно или в любой технически возможной комбинации:

- контур регулирования давления пара содержит цепь исключения помехи для учета в качестве помехи переменной контура регулирования электрической мощности;

- переменной контура регулирования электрической мощности, учитываемой в качестве помехи в указанном контуре регулирования давления пара, является открывание регулировочных клапанов на входе турбины;

- контур регулирования давления пара содержит цепь моделирования передаточной функции между подачей топлива и влиянием подачи топлива на давление пара, при этом указанная цепь моделирования не учитывает переменную контура регулирования электрической мощности, учитываемую в качестве помехи в указанном контуре регулирования давления пара;

- чистую задержку τ учитывают в контуре регулирования давления пара в цепи моделирования передаточной функции между подачей топлива и влиянием подачи топлива на давление пара;

- цепь моделирования передаточной функции между подачей топлива и влиянием подачи топлива на давление пара имеет вид G1(s)⋅е^-τs, где G₁(s) является стабильной функцией первого порядка;

- контур регулирования давления пара содержит цепь определения управляющей переменной без помехи для определения управляющей переменной без помехи на основании заданного значения давления пара;

- управляющей переменной контура регулирования давления пара является значение подачи топлива, которое получают на выходе цепи определения управляющей переменной без помехи и из которого вычитают выходную данную цепи исключения помехи;

- система содержит цепь определения управляющей переменной без помехи, цепь исключения помехи и цепь моделирования передаточной функции между подачей топлива и влиянием подачи топлива на давление пара в виде G₁(s)⋅e^-τs, где G₁(s) является стабильной функцией первого порядка и в которой:

- цепь определения управляющей переменной без помехи представляет собой передаточную функцию, входной данной которой является заданное значение давления пара типа , где F₁(s) является фильтром порядка, превышающего или равного порядку G₁(s), и

- цепь исключения помехи представляет собой передаточную функцию , где F₂(s) является фильтром порядка, превышающего или равного порядку G₁(s);

- контур регулирования давления пара включает в себя контур обратной связи без задержки, чтобы при определении подачи топлива учитывать часть указанного контура моделирования передаточной функции между подачей топлива и влиянием подачи топлива на давление пара, которая не зависит от чистой задержки τ;

- переменной контура регулирования давления, учитываемой в качестве помехи в указанном контуре регулирования электрической мощности, является давление пара;

- контур регулирования электрической мощности содержит пропорционально-интегральный регулятор и цепь исключения помехи и опережающего отслеживания заданного значения для учета переменной контура регулирования давления пара в качестве помехи;

- открывание регулирующих клапанов на входе турбины получают при помощи выходной данной пропорционально-интегрального регулятора, из которой вычитают выходную данную цепи исключения помехи и опережающего отслеживания заданного значения контура регулирования электрической мощности;

- параметры контура регулирования, основанного на управлении типа внутренней модели, рассчитывают в режиме онлайн при помощи метода адаптивного регулирования, при этом входными данными для указанного адаптивного регулирования являются переменные системы управления.

Вторым объектом изобретения является теплоэлектростанция, содержащая

- комплекс, включающий в себя котел и его вспомогательные устройства, в которые подают топливо и которые являются источником тепла для контура рабочей текучей среды таким образом, чтобы она находилась в паровой фазе в части указанного контура,

- турбину, питаемую указанным паром при определенном значении давления пара и температуры, при этом указанная турбина механически связана с электрическим генератором, производящим электрическую мощность, при этом питание паром указанной турбины характеризуется открыванием регулировочных клапанов, находящихся на входе указанной турбины,

- систему управления, являющуюся первым объектом изобретения.

Третьим объектом изобретения является способ управления теплоэлектростанцией, являющейся вторым объектом изобретения, в котором:

- давление пара регулируют при помощи контура регулирования давления пара,

- электрическую мощность регулируют при помощи контура регулирования электрической мощности,

при этом по меньшей мере один из контуров регулирования основан на управлении типа внутренней модели, учитывающем чистую задержку τ одного из параметров внутренней модели электростанции, при этом для каждого из контуров регулирования переменную одного контура учитывают в качестве помехи в другом контуре.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки, задачи и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания, представленного в качестве неограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - обобщенная схема известной теплоэлектростанции;

фиг.2 - схема регулирования давления нагретого пара P согласно первому варианту выполнения заявленной системы;

фиг.3 - схема регулирования давления нагретого пара P согласно второму варианту выполнения заявленной системы;

фиг.4 - схема регулирования производимой электрической мощности W, соответствующая двум вариантам выполнения заявленной системы;

фиг.5 - схема адаптивного регулирования, соответствующая первому варианту выполнения заявленной системы;

фиг.6А и 6В - кривые изменения во времени нескольких величин в ответ на ступень производства электрической мощности, представленные для сравнения между системой управления согласно первому варианту выполнения изобретения и системой типа H∞.

Ниже представлено подробное описание настоящего изобретения в рамках частного, но не ограничительного случая системы управления теплоэлектростанцией, работающей на угле.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 представлена обобщенная и упрощенная схема теплоэлектростанции 100. Сплошными стрелками 107 показана циркуляция рабочей текучей среды как в жидкой, так и в газовой фазе. Эта рабочая текучая среда представляет собой теплоноситель, которым чаще всего является вода. Упрощенный принцип работы заключается в следующем.

Подача топлива GC приводит к транспортировке топлива в комплекс 102, включающий в себя котел 103 и его вспомогательные устройства. Топливо подвергается обработке, после чего происходит его сжигание. При сжигании топливо выделяет тепло, показанное белыми стрелками 105, которое передается воде, циркулирующей в трубах теплообменника 104. При этом вода переходит в состояние пара. В камере 106 происходит отделение воды от пара, который поступает в комплекс нагревателей 108. В нагреватели 108 может дополнительно поступать вода через систему 110 нагнетания воды, один из приводов которой обеспечивает управление нагнетанием охлаждающей воды Q_DSHT.

В нагревателях комплекса 108 температура и давление воды резко повышаются. При этом вода переходит в состояние нагретого пара. Этот пар поступает в турбину 114, проходя через регулировочные клапаны 112, которые находятся на входе первого корпуса турбины и открывание которых характеризуется параметром SR. Между регулировочными клапанами 112 и турбиной 114 нагретый пар имеет температуру T и давление P.

После попадания в корпус высокого давления ВД турбины пар расширяется, что обеспечивает приведение во вращение рабочих колес турбины. После этого вода возвращается в систему 108 через повторный нагреватель, после чего попадает в корпус среднего давления СД, затем в корпус низкого давления НД турбины. В корпусах СД и НД аналогичное явление расширения тоже обеспечивает вращение колес турбины 114. Вращение передается на электрический генератор 116, который производит электрическую мощность W. После прохождения через турбину расширенный пар поступает в конденсатор 118, где происходит его охлаждение. После этого он переходит в жидкое состояние и может начать новый цикл.

Заявитель отметил, что управление теплоэлектростанциями осуществляют при помощи нелинейных уравнений, в отношении которых известные системы управления производят линейную аппроксимацию, которая не является удовлетворительной. Эта нелинейность связана, в частности, с чистой задержкой, которая снижает влияние подачи топлива GC на контролируемые величины.

Кроме того, подача топлива GC претерпевает колебания при необходимости получения высокой мощности, что приводит к сильным воздействиям на котел 103 и на органы очистки, присутствующие на уровне выходов удаления из котла 103.

Заявитель установил, что изобретение позволяет получить подачу топлива, которая не приводит к сильным воздействиям на котел и органы очистки, что позволяет увеличить срок их службы. Кроме того, изобретение позволяет преодолеть проблемы, связанные с наличием задержки, происходящей в результате транспортировки, обработки и возможного нагрева топлива.

Первый вариант выполнения изобретения в случае системы управления теплоэлектростанцией на угле представлен на фиг.2 и 4.

Согласно этому варианту выполнения, система управления относится к теплоэлектростанции на угле, работа которой соответствует описанной выше фиг.1. Рассматриваемая система является многовариантной.

Входными данными этой системы являются:

- открывание регулировочных клапанов на входе турбины SR(t),

- подача угля GC(t)

- нагнетание охлаждающей воды Q_DSHT(t).

Выходными данными этой системы являются:

- производимая электрическая мощность W(t),

- давление нагретого пара P(t),

- температура нагретого пара T(t).

Идентификация динамического поведения системы вытекает из линейных уравнений, основанных на физических законах.

- Для электрической мощности W:

W(t)=a⋅SR(t)+b⋅P(t).

Таким образом, W находится в линейной зависимости от открывания регулировочных клапанов SR и от давления пара P, в данном варианте выполнения от давления нагретого пара. Коэффициенты a и b являются коэффициентами, определенными в ходе экспериментальных исследований, в соответствии с характеристиками теплоэлектростанции и с соображениями безопасности, эффективности и срока службы установок. Например, a и b могут иметь значения 0,77 и 3,4.

- Для давления нагретого пара P:

,

,

P(t)=P₁(t)+P₂(t).

T₁, К₁, Т₂ и чистая задержка τ являются константами. Их определяют в ходе экспериментальных исследований, в соответствии с характеристиками теплоэлектростанции и с соображениями безопасности, эффективности и срока службы установок. Например, эти константы могут соответственно иметь значения T₁=190; К₁=1,8; T₂=193; К₂=-0,326 и τ=100. P₁(t) и P₂(t) характеризуют соответственно влияние подачи топлива GC и открывания регулировочных клапанов SR на давление пара P.

- Для температуры нагретого пара (Т):

.

Согласно этому варианту выполнения изобретения, речь идет об адаптации метода управления типа внутренней модели к теплоэлектростанции, который характеризуется тем, что система управления электростанцией должна включать в себя картину контролируемого физического процесса.

Данный вариант выполнения изобретения включает в себя:

- контур 200 регулирования давления нагретого пара P, показанный на фиг.2,

- контур 400 регулирования электрической мощности W, показанный на фиг.4.

Для каждого из контуров регулирования 200, 400 переменную одного контура учитывают в качестве помехи в другом контуре. Кроме того, каждый из указанных контуров имеет управляющую переменную, действие которой позволяет регулировать поведение электростанции.

На фиг.2 показан контур 200 регулирования давления нагретого пара P в соответствии с первым вариантом выполнения изобретения. Контур 200 регулирования содержит цепь 202 исключения помехи, цепь 204 определения управляющей переменной без помехи и цепь 206 моделирования передаточной функции H_GC-P1 между подачей топлива GC и влиянием P1 подачи топлива GC на давление пара P.

В настоящем описании под цепью исключения помехи следует понимать элемент контура регулирования, учитывающий на своем входе переменную, рассматриваемую как помеху в указанном контуре регулирования, с целью ее исключения, то есть с целью устранения ее влияния, посредством ее учета перед определением управляющей переменной указанного контура регулирования.

Входной данной контура 200 регулирования является контрольное давление P_REF в качестве заданного значения, которое устанавливают в соответствии с характеристиками теплоэлектростанции и с соображениями безопасности, эффективности и срока службы установок. Выходной данной контура 200 регулирования является давление нагретого пара P, и в качестве исключаемой помехи он учитывает открывание регулировочных клапанов SR на входе турбины 114.

На фиг.2 на функциональной схеме показана реальная цепь 208, в которой передаточные функции H_GC-P1 и Н_SP-P2 характеризуют реальную работу устройств теплоэлектростанции 100, показанных на фиг.1. Эта характеристика реальной цепи 208 обуславливает разложение давления нагретого пара Р на две составляющие Р1 и Р2. Первая составляющая давления Р1 является составляющей, зависящей от подачи угля GC, которая не учитывает открывания регулировочных клапанов SR. Таким образом, P1 характеризует влияние подачи угля GC на давление пара P. Вторая составляющая давления P2 является составляющей, зависящей от открывания регулировочных клапанов SR. Таким образом, P2 характеризует влияние открывания регулировочных клапанов SR на давление пара P.

В данном случае реальная цепь 208 включает в себя две передаточные функции. Передаточная функция H_GC-P1 является функцией, связывающей подачу топлива GC с ее влиянием P1 на давление пара P. Передаточная функция H_SR-P2 является функцией, связывающей открывание регулировочных клапанов SR с ее влиянием P2 на давление пара P.

Цепь 206 моделирования моделирует передаточную функцию между подачей угля GC и влиянием P1 на давление пара P подачи угля GC. Эта цепь 206 моделирования не учитывает открывание регулировочных клапанов SR, значение которого поступает от контура 400 регулирования мощности W.

Контур 200 регулирования давления пара P учитывает чистую задержку τ. Чистая задержка τ между подачей топлива GC и давлением P учитывается в цепи 206 моделирования передаточной функции H_GC-P1 между подачей угля GC и влиянием подачи топлива GC на давление пара P. Моделирование передаточной функции H_GC-P1 имеет вид G1(s)⋅e^-τs, где G₁(s) является стабильной и обратимой функцией первого порядка. Как известно специалисту и в рамках настоящего описания, функции, в которых переменной является s, являются преобразованиями Лапласа.

Величину на выходе цепи 206 моделирования вычитают из давления пара P для получения входа цепи 202 исключения помехи.

Цепь 204 определения управляющей переменной без помехи представляет собой передаточную функцию, которая на входе принимает заданное контрольное значение пара P_REF, то есть функцию типа , где F₁(s) является фильтром типа , где λ₁>0 и n превышает порядок .

Цепь 202 исключения помехи представляет собой передаточную функцию , где F₂(s) является фильтром типа , где λ₂>0 и m превышает порядок . Ее результат вычитают из результата цепи 204 определения управляющей переменной без помехи для получения значения подачи угля GC.

В целом в системе, показанной на фиг.2, заданное контрольное значение P_REF проходит через передаточную функцию типа , затем выход цепи 202 исключения помехи вычитают из выхода этой передаточной функции.

Подачу топлива GC принимают за вход передаточной функции H_GC-P1, выход которой суммируют с выходом передаточной функции H_SR-P2, входом которой является открывание регулировочных клапанов SR.

Сложение этих выходных данных, которые характеризуют соответствующие влияния P₁ и Р₂ подачи топлива GC и открывания регулировочных клапанов SR на давление P, следовательно, характеризует само это давление Р, так как P=P₁+P₂. При этом из давления Р вычитают выход передаточной функции моделирования 206 типа G₁(s)⋅e^-τs, входом которой является подача топлива GC.

Результатом этого вычитания является вход для передаточной функции исключения помехи 202 типа , выход которой вычитают из выхода передаточной функции 204 типа , входом которой является заданное контрольное значение P_REF, как было указано выше.

На фиг.4 показан контур 400 регулирования электрической мощности W, соответствующий описанному варианту выполнения. Контур 400 регулирования электрической мощности содержит пропорционально-интегральный регулятор 402 и цепь 404 исключения помехи и опережающего отслеживания заданного значения.

Контур 400 регулирования принимает на входе заданное значение электрической мощности E_REF, которое устанавливают, в частности, в зависимости от нагрузки электростанции и от потребностей в электричестве, а также в зависимости от физических характеристик электростанции.

Выходом контура 400 регулирования является электрическая мощность W, и он учитывает в качестве помехи давление нагретого пара P, которое является переменной контура 200 регулирования давления пара P. На функциональной схеме на фиг.4 показана реальная цепь 406, функции которой отображают реальную работу устройств теплоэлектростанции 100, показанных на фиг.1, в виде передаточной функции H_SR-W между открыванием регулировочных клапанов SR и электрической мощностью W.

Таким образом, входом пропорционально-интегрального регулятора 402 является разность ε между заданным значением электрической мощности W_REF и электрической мощностью W, производимой электростанцией.

Цепь 404 исключения помехи и опережающего отслеживания заданного значения принимает на входе заданное контрольное значение электрической мощности W_REF и давление пара P, причем последнее учитывается в качестве исключаемой помехи. Давление пара P умножают на коэффициент b внутренней модели электростанции, который связывает давление пара P с электрической мощностью W в уравнении W(t)=a⋅SR(t)+b⋅P(t). Результат вычитают из заданного контрольного значения электрической мощности W_REF.

Затем результат этого вычитания делят на коэффициент а внутренней модели электростанции, который связывает открывание регулировочных клапанов SR с электрической мощностью W в уравнении W(t)=a⋅SR(t)+b⋅P(t).

Открывание регулировочных клапанов SR на входе турбины 114 получают при помощи выходной данной пропорционально-интегрального регулятора 402, из которой вычитают выход цепи 404 исключения помехи и опережающего отслеживания заданного значения контура 400 регулирования электрической мощности W.

Таким образом, регулирование электрической мощности W, представленное контуром 400 регулирования, осуществляют посредством опережений по отношению к заданному значению мощности W_REF и давлению нагретого пара P. Действительно, уравнение, управляющее поведением электрической мощности, показывает отсутствие динамического эффекта.

Таким образом, в системе, показанной на фиг.4, регулятор PI принимает на входе заданное контрольное значение электрической мощности W_REF, из которого вычитают электрическую мощность W; этот регулятор позволяет исключать погрешности моделирования электрической мощности W.

Заданное контрольное значение электрической мощности W_REF, из которого вычитают давление пара P, умноженное на b, тоже делят на коэффициент a в цепи 404 исключения помехи и опережающего отслеживания заданного значения.

Результат этой цепи 404 исключения помехи и опережающего отслеживания заданного значения вычитают из выхода регулятора PI, что дает значение открывания регулировочных клапанов SR.

Открывание регулировочных клапанов SR является входом для передаточной функции H_SR-W управляемой системы, выходом которой является электрическая мощность W.

Как было указано выше, система управления в соответствии с изобретением основана на моделях процесса, применяемого в теплоэлектростанции, работающей на принципе сжигания топлива. Различные параметры этих моделей могут вытекать из измерений, производимых на месте. Для идентификации передаточных функций H_GC-P1 и H_SR-P1 контура 200 регулирования давления пара P можно, например, применить метод Стрейца. Для передаточной функции H_SR-W производимой электрической мощности W можно применять метод наименьших квадратов.

Преимуществом настоящего изобретения является возможность применения адаптивного регулирования, как показано на фиг.5, которое будет описано ниже, для контура 200 регулирования давления пара P. Оценку параметров в режиме онлайн можно, например, осуществлять при помощи метода ARX (от английского Auto Regressive model with external inputs, что значит авторегрессионная модель с внешним входом).

Контроль температуры нагретого пара Т осуществляют при помощи регулятора типа H∞, так как динамическое моделирование температуры не отличается надежностью. В данном конкретном случае интерес представляет надежность самого регулятора H∞.

После этого применяют различные правила регулирования, чтобы получить согласованное многовариантное управление контролируемыми величинами.

Второй вариант выполнения настоящего изобретения соответствует системе, эквивалентной системе из первого варианта выполнения, только вместо контура 200 регулирования давления пара P, показанного на фиг.2, используют контур 300 регулирования давления пара P, показанный на фиг.3.

Таким образом, на фиг.3 представлен контур 300 регулирования давления нагретого пара P, соответствующий описанному ниже второму варианту выполнения изобретения. Контур 300 регулирования содержит цепь 302 исключения помехи, цепь 304 определения управляющей переменной, цепь 306 моделирования передаточной функции H_GC-P1 между подачей топлива GC и влиянием P1 подачи топлива GC на давление пара P и контур 316 обратной связи без задержки.

Входом контура 300 регулирования является контрольное значение P_REF в качестве заданного давления, значение которого устанавливают, в частности, в зависимости от характеристик теплоэлектростанции и от требований безопасности, эффективности и срока службы установок.

Выходом контура 300 регулирования является давление нагретого пара P, а в качестве исключаемой помехи он рассматривает открывание регулировочных клапанов SR на входе турбины 114. На функциональной схеме на фиг.3 показана реальная цепь 308, функции H_GC-P1 и H_SR-P2 которой характеризуют реальную работу устройств теплоэлектростанции 100, описанных со ссылками на фиг.1. Это отображение реальной цепи 308 предполагает разложение давления нагретого пара P на две составляющие P1 и P2. Первая составляющая давления P1 является составляющей, зависящей от подачи угля GC, которая не учитывает открывания регулировочных клапанов SR. Вторая составляющая давления P1 является составляющей, зависящей от открывания регулировочных клапанов SR, которая не учитывает подачу угля GC.

В данном случае реальная цепь 308 включает в себя две передаточные функции. Передаточная функция H_GC-P1 является функцией, связывающей подачу топлива GC с ее влиянием на давление пара P. Передаточная функция H_SR-P2 является функцией, связывающей открывание регулировочных клапанов SR с его влиянием на давление пара P.

Цепь 306 моделирования моделирует передаточную функцию H_GC-P1 между подачей угля GC и влиянием P1 подачи угля GC на давление пара P. Эта цепь 306 моделирования не учитывает переменную SR, которая поступает от контура 400 регулирования электрической мощности W.

Контур 300 регулирования давления пара P учитывает чистую задержку τ. Чистая задержка τ учитывается в цепи 306 моделирования передаточной функции H_GC-P1 между подачей топлива GC и влиянием P1 подачи топлива GC на давление пара P.

Моделирование передаточной функции H_GC-P1 между GC и P1 имеет вид G1(s)⋅e^-τs, где G₁(s) является стабильной обратимой функцией первого порядка. Вместе с тем, она включает в себя две передаточные функции G₁(s) и е^-τs, при этом G₁(s) находится перед е^-τs в цепи 306 моделирования, причем G₁(s) является составляющей, не зависящей от чистой задержки τ, а e^-τs является составляющей, соответствующей чистой задержке. Выходную величину цепи 306 моделирования вычитают из давления пара P для получения входа цепи 302 исключения помехи.

Контур 300 регулирования давления P включает в себя контур 316 обратной связи без задержки, входом которого является выходная величина передаточной функции G₁(s) цепи 306 моделирования, соответствующая составляющей моделирования, не зависящей от чистой задержки τ. Таким образом, эта выходная величина имеет значение G₁(s)⋅GC(s). Контур 316 обратной связи без задержки вычитает это последнее значение из заданного значения давления нагретого пара P_REF на уровне цепи 304 определения управляющей переменной. Цепь 302 исключения помехи моделирует передаточную функцию R₂(s), применяемую к давлению пара P. Передаточная функция R₂(s) определяет реакцию на помехи. R₂(s) имеет вид 1 - M(s)⋅e^-L⋅s.

Она проверяет следующие условия:

- нули функции 1 - M(s)⋅e^-Ls должны компенсировать наиболее медленные полюсы G₁(s),

- M(0)=1,

- полюсы M(s) расположены таким образом, чтобы получить требуемую динамику.

Ее результат вычитают из заданного значения нагретого пара P_REF.

Цепь 304 определения управляющей переменной принимает на входе заданное значение нагретого пара P^REF. Из заданного значения нагретого пара P_REF вычитают результат цепи 302 исключения помехи и результат контура 316 обратной связи без задержки. Подачу топлива GC получают посредством применения передаточной функции R₁(s) к величине, полученной в результате этих сравнений. Эта передаточная функция R₁(s) цепи 306 определения управляющей переменной определяет динамику отслеживания заданного значения и может представлять собой, например, регулятор типа ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциальный).

В целом, в системе, показанной на фиг.3, из заданного контрольного значения давления P_REF вычитают выход цепи 302 исключения помехи, затем вычитают выход контура 316 без задержки. Результат этих двух вычитаний проходит через передаточную функцию R₁(s) для получения значения подачи топлива GC.

Это значение подачи топлива GC проходит через передаточную функцию H_GC-P1 управляемой системы для получения влияния P₁ подачи топлива GC на давление пара P.

Открывание регулировочных клапанов SR проходит через передаточную функцию H_SR-P2 управляемой системы для получения влияния P₂ открывания регулировочных клапанов SR на давление пара P.

Сумма соответствующих влияний P₁ и P₂ подачи топлива GC и открывания регулировочных клапанов SR дает давление пара P.

Подача топлива GC проходит через передаточную функцию G₁(s), выход которой, с одной стороны, возвращается контуром 316 без задержки, как было указано выше, и, с другой стороны, является входом для передаточной функции e^-τ⋅s, выход которой вычитают из давления нагретого пара P. Результат этого вычитания проходит через передаточную функцию R₂(s) цепи 302 исключения помехи, выход которой вычитают из заданного контрольного значения давления P_REF, как было указано выше.

Фиг.5 иллюстрирует возможность применения известного специалисту адаптивного регулирования в рамках первого варианта выполнения. Эта возможность не ограничительно касается применения адаптивного регулирования для контура 200 регулирования давления пара P.

Так, на фиг.5 представлено адаптивное регулирование, в котором входными данными являются переменные величины системы, которые могут присутствовать в контуре 200 регулирования давления пара P, такие как подача топлива GC, открывание регулировочных клапанов SR и давление пара P.

На основании измерения этих переменных адаптивное регулирование позволяет производить оценку в реальном времени параметров контура 200 регулирования давления пара P, например, присутствующих в передаточных функциях цепи 202 исключения помехи, цепи 204 определения управляющей переменной без помехи и цепи 206 моделирования передаточной функции H_GC-P1 между подачей топлива GC и влиянием P1 подачи топлива GC на давление пара P. Регулярное измерение входных переменных позволяет постоянно обновлять значения, принимаемые параметрами, оцениваемыми в режиме онлайн посредством адаптивного регулирования.

Оценку параметров в режиме онлайн можно производить, например, при помощи метода ARX (от английского English Auto Regressive model with external inputs, то есть авторегрессивная модель с внешним входом). Эквивалентное адаптивное регулирование возможно также и для второго варианта выполнения, отличительные признаки которого представлены на фиг.3.

Фиг.6А и 6В иллюстрируют сравнение между поведенческими реакциями угольной теплоэлектростанции, управляемой при помощи системы управления согласно первому варианту выполнения изобретения и при помощи системы управления с регуляторами типа H∞.

На фиг.6А для сравнения представлено регулирование согласно изобретению в виде сплошной линии и регулирование при помощи регуляторов типа H∞ пунктирной линией для производимой электрической мощности W и давления пара P в ответ на ступенчатое изменение заданного значения электрической мощности W. Заявленная система обеспечивает лучшее, в частности более быстрое, отслеживание мощности W с одновременным ограничением колебаний. Давление пара P регулируется лучше, поскольку оно меньше колеблется относительно заданного значения 155 бар.

На фиг.6В для сравнения представлено регулирование согласно изобретению в виде сплошной линии и регулирование при помощи регуляторов типа H∞ пунктирной линией для подачи топлива GC и открывания регулировочных клапанов SR в ответ на те же ступенчатые изменения электрической мощности, что и на фиг.6А.

Система в соответствии с изобретением обеспечивает значительное уменьшение колебаний подачи топлива GC. Это качество управления позволяет снизить влияние воздействий на комплекс 102, включающий в себя котел 103 и его вспомогательные устройства, и обеспечивает оптимальную эксплуатацию органов очистки. Таким образом, регулирование теплоэлектростанции 100 при помощи заявленной системы является более динамичным и одновременно обеспечивает снижение напряжения на котел 103.

Вторым объектом изобретения является теплоэлектростанция, содержащая

- комплекс 102, включающий в себя котел 103 и его вспомогательные устройства, для которых применяют подачу топлива GC и которые являются источником тепла для контура рабочей текучей среды таким образом, чтобы она находилась в паровой фазе в части указанного контура,

- турбину 114, питаемую указанным паром при давлении P и при температуре T, при этом указанная турбина 114 механически связана с электрическим генератором 116, производящим электрическую мощность W, при этом питание паром указанной турбины 114 характеризуется открыванием SR регулировочных клапанов, находящихся на входе указанной турбины 114,

- систему управления, являющуюся первым объектом изобретения.

Третьим объектом изобретения является способ управления теплоэлектростанцией, являющейся вторым объектом изобретения, в котором:

- давление пара P регулируют при помощи контура регулирования давления пара P,

- электрическую мощность регулируют при помощи контура регулирования электрической мощности W,

при этом по меньшей мере один из контуров регулирования основан на управлении типа внутренней модели, учитывающем чистую задержку τ одного из параметров внутренней модели электростанции, при этом для каждого из контуров регулирования переменную одного контура учитывают в качестве помехи в другом контуре.

В целом третий объект изобретения касается любого применения системы управления, являющейся первым объектом, в теплоэлектростанции и любого способа управления теплоэлектростанцией при помощи системы управления, являющейся первым объектом.

1. Система управления для многовариантного регулирования теплоэлектростанции, предназначенной для генерирования электричества посредством сжигания топлива и содержащей:

- комплекс (102), включающий в себя котел (103) и его вспомогательные устройства, для которых применяют подачу топлива (GC) и которые являются источником тепла для контура рабочей текучей среды, так чтобы она находилась в паровой фазе в части указанного контура,

- турбину (114), питаемую указанным паром при давлении (Р) пара и температуре (Т), при этом указанная турбина (114) механически связана с электрическим генератором (116), генерирующим электрическую мощность (W), при этом для питания паром указанной турбины (114) открываются (SR) регулировочные клапаны, находящиеся на входе указанной турбины (114), при этом указанная система управления содержит:

контур (200, 300) регулирования давления пара (Р), имеющий управляющую переменную и заданное значение (P_REF),

контур (400) регулирования электрической мощности (W), имеющий управляющую переменную и заданное значение (W_REF),

при этом по меньшей мере один из контуров (200, 300, 400) регулирования основан на управлении типа внутренней модели, которая включает в себя отображение контролируемого физического процесса и учитывает чистую задержку τ одного из параметров внутренней модели электростанции, причем для каждого из контуров (200, 300, 400) регулирования переменную одного контура учитывают в качестве помехи в другом контуре, а

контур (200, 300) регулирования давления пара (Р) содержит цепь (206, 306) моделирования передаточной функции (H_GC-P1) между подачей топлива (GC) и влиянием (Р1) подачи топлива (GC) на давление пара (Р), при этом указанная цепь (206, 306) моделирования не учитывает переменную контура (400) регулирования электрической мощности (W), учитываемой в качестве помехи в указанном контуре (200, 300) регулирования давления пара (Р).

2. Система управления по п. 1, в которой контур (200, 300) регулирования давления пара (Р) содержит цепь (202, 302) исключения помехи для учета в качестве помехи переменной контура регулирования электрической мощности (W).

3. Система управления по п. 1, в которой переменной контура (400) регулирования электрической мощности (W), учитываемой в качестве помехи в указанном контуре регулирования давления пара (Р), является открывание регулировочных клапанов (SR) на входе турбины (114).

4. Система управления по п. 1, в которой чистую задержку τ учитывают в контуре (200, 300) регулирования давления пара (Р) в цепи (206, 306) моделирования передаточной функции (H_GC-P1) между подачей топлива (GC) и влиянием (Р1) подачи топлива (GC) на давление пара (Р).

5. Система управления по п. 1, в которой цепь (206) моделирования передаточной функции (H_GC-P1) между подачей топлива (GC) и влиянием (Р1) подачи топлива (GC) на давление пара (Р) имеет вид G₁(s)⋅e^-τS, где G₁(s) является стабильной функцией первого порядка.

6. Система управления по п. 1, в которой контур (200) регулирования давления пара (Р) содержит цепь (204) определения управляющей переменной без помехи для определения управляющей переменной без помехи на основании заданного значения давления пара (P_REF).

7. Система управления по п. 6, в которой контур (200, 300) регулирования давления пара (Р) содержит цепь (202, 302) исключения помехи для учета в качестве помехи переменной контура регулирования электрической мощности (W), при этом управляющей переменной контура (200) регулирования давления пара (Р) является значение подачи топлива (GC), которое получают на выходе цепи (204) определения управляющей переменной без помехи и из которого вычитают выходные данные цепи (202) исключения помехи.

8. Система управления по п. 1, которая содержит цепь (204) определения управляющей переменной без помехи, цепь (202) исключения помехи и цепь (206) моделирования передаточной функции (H_GC-P1) между подачей топлива (GC) и влиянием (Р1) подачи топлива (GC) на давление пара (Р) в виде G₁(s)⋅e^-τS, где G₁(s) является стабильной функцией первого порядка, при этом:

цепь (204) определения управляющей переменной без помехи представляет собой передаточную функцию типа G₁^-1(s)⋅F₁(s), где F₁(s) является фильтром порядка, превышающего или равного порядку G₁(s), и входными данными функции является заданное значение давления пара (P_REF),

цепь (202) исключения помехи представляет собой передаточную функцию G₁^-1(s)⋅F₂(s), где F₂(s) является фильтром порядка, превышающего или равного порядку G₁(s).

9. Система управления по п. 4, в которой контур (300) регулирования давления пара (Р) включает в себя контур (316) обратной связи без задержки, чтобы при определении подачи топлива (GC) учитывать часть указанной цепи (306) моделирования передаточной функции между подачей топлива (GC) и влиянием (Р1) подачи топлива (GC) на давление пара (Р), которая не зависит от чистой задержки τ.

10. Система управления по п. 1, в которой переменной контура (200, 300) регулирования давления (Р), учитываемой в качестве помехи в указанном контуре (400) регулирования электрической мощности (W), является давление пара (Р).

11. Система управления по п. 1, в которой контур (400) регулирования электрической мощности (W) содержит пропорционально-интегральный регулятор (402) и цепь (404) исключения помехи и опережающего отслеживания заданного значения для учета переменной контура (200) регулирования давления пара (Р) в качестве помехи.

12. Система управления по п. 11, в которой значение открывания регулирующих клапанов (SR) на входе турбины (114) получают при помощи выходных данных пропорционально-интегрального регулятора (402), из которых вычитают выходные данные цепи (404) исключения помехи и опережающего отслеживания заданного значения контура (400) регулирования электрической мощности (W).

13. Система управления по п. 1, в которой параметры контура (200, 300) регулирования, основанного на управлении типа внутренней модели, рассчитывают в режиме онлайн при помощи метода адаптивного регулирования, при этом входными данными для указанного адаптивного регулирования являются переменные (GC, SR, Р) системы управления.

14. Теплоэлектростанция, содержащая:

комплекс (102), включающий в себя котел (103) и его вспомогательные устройства, для которых применяют подачу топлива (GC) и которые являются источником тепла для контура рабочей текучей среды, так чтобы она находилась в паровой фазе в части указанного контура,

турбину (114), питаемую указанным паром при давлении (Р) и температуре (Т), при этом указанная турбина (114) механически связана с электрическим генератором (116), генерирующим электрическую мощность (W), при этом для питания паром указанной турбины (114) открываются (SR) регулировочные клапаны, находящиеся на входе указанной турбины (114),

отличающаяся тем, что содержит систему управления по одному из предыдущих пунктов.

15. Способ управления теплоэлектростанцией по п. 14, характеризующийся тем, что:

давление пара (Р) регулируют при помощи контура (200, 300) регулирования давления пара (Р), и

электрическую мощность регулируют при помощи контура (400) регулирования электрической мощности (W),

при этом по меньшей мере один из контуров (200, 300, 400) регулирования выполняют на основе управления типа внутренней модели, с учетом чистой задержки τ одного из параметров внутренней модели электростанции, при этом для каждого из контуров (200, 300, 400) регулирования переменную одного контура учитывают в качестве помехи в другом контуре.