Известия Казгасу, 2009, №1 (11)



Скачать 77.47 Kb.
Pdf просмотр
Дата14.02.2017
Размер77.47 Kb.
Просмотров263
Скачиваний0

196
Известия КазГАСУ, 2009, №1 (11)
УДК 621.181.7
Р.А. Садыков – доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теплоэнергетики
Д.Н. Антропов – кандидат технических наук, старший преподаватель
Д.В. Крайнов – аспирант
Казанский государственный архитектурно-строительный университет (КазГАСУ)
Ю.Л. Линючкин – аспирант
Исследовательский центр проблем энергетики, Казанский научный центр при РАН
(ИЦПЭ КазНЦ РАН)
КОМПЬЮТЕРНАЯ СИМУЛЯЦИЯ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК
АННОТАЦИЯ
На основе материального и теплового балансов жидкости и газовых фракций разработана математическая модель (ММ) и создан компьютерный симулятор водогрейного котла.
Предлагаемая ММ, симулятор и автоматизированный микропроцессорный комплекс (АМК) реализованы в промышленной энергетике для оптимизации параметров управления теплогенерирующих установок,
исследования поведения систем управления при критических и аварийных ситуациях.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Теплогенерирующие установки, котел, паровой котел, водогрейный котел,
компьютерная симуляция, компьютерное моделирование.
R.А. Sadykov – doctor of technical sciences, professor, head of Heat-Power Engineering department
D.N. Antropov – candidate of technical science, senior lecturer
D.V. Krainov – post-graduate student
Kazan State University of Architecture and Engineering (KSUAE)
Yu.L. Linyuchkin – post-graduate student
Research Center of Energetic Problems, Kazan Scientific Center on the ground of Russian
Academy of Science (RCEP Kazan SC RAS)
COMPUTER-BASED SIMULATION OF HEAT-GENERATING PLANTS
ABSTRACT
On the base of material and heat balances of liquid and gas fractions the mathematical model and computer simulator of water-heating boiler were developed.
The above-mentioned mathematical model simulator, and automatized microprocessor-based complex are realized in industrial power engineering for optimization of factors of heat-generating plants operation, and investigation of control-systems’ behavior in critical and emergency situations.
KEYWORDS: Heat-generating plants, boiler, steam-boiler, hot-water boiler, computer-based simulation, computer- based modelling.
При автоматизации промышленных производств для тестирования и наладки систем управления,
проверки их в реальных, «полевых» условиях необходимо наличие объекта управления или непосредственное присутствие наладчиков на предприятии. Объект управления зачастую невозможно доставить наладчикам, а присутствие на предприятии связано с дополнительными расходами.
Намного лучше и экономичнее, если все подготовительные и тестовые работы группа наладчиков осуществляет на своем рабочем месте. В
этом им может помочь компьютерное моделирование объектов управления.
В нашем случае объектом управления является водогрейный (или паровой) котел.
На данный момент описано множество компьютерных тренажеров для обучения персонала котельных работе с оборудованием и правильному поведению при аварийных ситуациях.
Целью же настоящей работы является разработка компьютерного симулятора реального времени для промышленных котельных установок с возможностью

197
Известия КазГАСУ, 2009, №1 (11)
тестирования систем автоматизации. Для решения этой проблемы необходимы конкретные компьютерные математические модели функционирования отдельных ключевых узлов котельной установки (КУ),
программные средства и симулятор КУ.
Рассмотрим устройство КУ. В качестве примера на рис. 1 представлена функциональная схема парового котла.
Наиболее распространенным теплоносителем является пар (или вода), который получают в паровых
(или водогрейных) котлах. В состав котельной установки входят: топливный тракт, воздушный тракт, газовый
тракт, пароводяной тракт (или водяной тракт).
Количество тепла, выделившегося в топке при сгорании топлива, усваивается парообразующей частью котлоагрегата и идёт на нагрев питательной воды, парообразование и перегрев пара.
Для описания КУ разделим ее на функциональные блоки по трактам (рис. 2). Каждый блок моделируется отдельно. Он имеет набор входных и выходных параметров, содержит необходимые уравнения материального и теплового балансов, что облегчает моделирование и программирование [1, 2].
Технологический процесс в КУ в первом приближении представляется в виде упрощенной ММ,
но она в целом отражает протекание основных процессов.
К количественному параметру относится нагрузка котла, которая может меняться в широких пределах в зависимости от графика нагрузок потребителей, а к качественному параметру относится температура воды.
Рис. 2. Общая блок-схема котельной установки
Рассмотрим водяной тракт. В барабане котла происходит нагрев жидкости до температуры Т
2
,
тепловым потоком Ф
1
. К известным нам граничным условиям можно добавить: объем в барабане V
1
,
температуру входящих газовых потоков Т
вх
Уровень воды в барабане, постоянный, а значит
V
1
= const.
Упрощенный материальный баланс емкости барабана котла можно представить в виде:
1 2
0
B
dV
F
F
dt
=

=
. (1)
Рис. 1. Функциональная схема парового котла (АРМ оператора котельной)

198
Известия КазГАСУ, 2009, №1 (11)
Здесь F
B
– входящий поток жидкости; F
2

выходящий поток жидкости из барабана котла, эти потоки равны, т.е. в котле жидкость не скапливается, и нет утечек, t – время.
Уравнение теплового баланса имеет следующий вид:
[скорость накопления тепла в емкости] = [приход тепла] + [приход тепла с тепловым потоком] – [отвод тепла].
1 2
1 1
2 2
(
)
B
d
V c
T
F T c
F T c
dt
ρ
ρ
ρ
⋅ ⋅ ⋅
=
⋅ ⋅ ⋅ + Φ − ⋅ ⋅ ⋅
, (2)
где с, с – соответственно теплоемкость и плотность жидкости, Т
1
, Т
2
– температуры входящего и выходящего потоков жидкости, Ф
1
– тепловой поток,
поступающий от сгорания топлива.
Из уравнения теплового баланса (2) можно определить температуру Т
2
Тепловой поток Ф
1
определяется:
1 1
2
(
)
BX
k S
T
T
Φ = ⋅ ⋅

, (3)
где
k
– коэффициент теплопередачи через стенку;
1
S
– площадь поверхности теплообмена.
Для отчетливого представления связей между составленными уравнениями ММ на рис. 3
представлена блок-схема модели водогрейного котла.
Рис. 3. Блок-схема модели водогрейного котла
Рассмотрим газо-воздушный тракт. При рассмотрении газодинамики в топочном пространстве были приняты следующие допущения:
1.
Топочное пространство условно разбито на три части (рис. 4): I – область смешивания газов; II –
область горения газов; III – область теплообмена;
2.
В каждой области среда принимается гомогенной;
3.
Поперечные сечения областей одинаковы.
Тогда материальный баланс областей можно записать в виде системы уравнений:
I
газ
возд
I
I
II
I
I
II
II
III
II
II
дым
dm
F
F
v S
dt
dm
v S
v S
dt
dm
v S
F
dt
ρ
ρ
ρ
ρ

=
+




=




=


, (4)
где m
I
, m
II
, m
III
– массы, v
I
, v
II
, v
III
– скорости потоков,
с
I
, с
II
– плотности газов в соответствующих областях, S
– площадь поперечного сечения топочного пространства, F
газ
, F
возд
– потоки топливного газа и воздуха.
Тепловой баланс областей:
0 0
(
)
(
)
(
)
газ
возд
I
I
I
газ
газ
возд возд
I
I
I
II
II
II
I
I
I
I
II
II
II
нагр
III
III
III
II
II
II
дым дым III
d
c m T
c F T
c
F
T
c F T
dt
d
c m T
c F T
qF
c F T
dt
d
c m T
c F T
Q
c
F
T
dt

=
+




=
+




=



, (5)
где с
I
, с
II
, с
III
, Т
I
, Т
II
, Т
III
– теплоемкости и температуры газов в соответствующих областях, с
газ
,
с
возд
– теплоемкости топливного газа и воздуха, Т
0
газ
,
Т
0
возд
– начальные температуры топливного газа и воздуха, F
дым
– поток дымовых газов, F
I
, F
II
– потоки смеси газов из первой и второй областей соответственно, q – удельная теплота сгорания топливного газа, Q
нагр
– определяется из теплового баланса в барабане котла (Q
нагр
= Ф
1
, Т
II
= T
ВХ
).
Схема управления котлом следующая: информация с датчиков, расположенных в основных узлах котла,
поступает в шкаф системы управления. Далее она поступает на АРМ оператора, где отображается на мнемосхемах.
Схема управления моделью котла такая же, за исключением того, что показания датчиков котла моделируются в реальном времени симулятором (рис. 5).
Системы управления не знают, чем они управляют
– реальным объектом или его компьютерной моделью,
и будут работать одинаково. Также на моделях можно тестировать системы управления в различных критических режимах и проверять работу при аварийных ситуациях.
Выбор средств моделирования очень широк. В
нашем случае моделирование производится в системе
LabView, математический аппарат программируется в системе MATLAB. При помощи плат сбора данных фирмы ICP DAS: PIO-DA8 и PIO-D48, сигналы с цифро- аналогового преобразователя (ЦАП) от компьютерной модели подаются на входы системы управления,
которая воспринимает их как сигналы измерительных
Рис. 4. Блок-схема модели водогрейного котла

199
Известия КазГАСУ, 2009, №1 (11)
Рис. 5. Схема управления моделью котла
Рис. 6. Развернутая схема управления моделью котла
Рис. 7. Экранный интерфейс симулятора

200
Известия КазГАСУ, 2009, №1 (11)
приборов в котельной установке. Управляющие сигналы подаются с выходов системы управления на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) плат сбора данных (рис. 6). На компьютере АРМ оператора происходит визуализация процесса.
В настоящее время разработан симулятор,
экранный интерфейс которого показан на рис. 7. Он отражает протекание процесса в первом приближении и подобен ранее разработанным и представленным в работах [2, 3].
В дальнейшем предлагаемая ММ по мере накопления результатов исследований и проведения натурных экспериментов в промышленных масштабах может корректироваться и использоваться для более широкого круга котлоагрегатов.
Нахождение значений параметров ММ работы котлоагрегата, при которых энтальпия теплоносителя будет максимальная, а минимальными будут приведённые затраты на природный газ, питательную воду, качественное соотношение регулирования газ- воздух, позволяет управлять процессом в оптимальном режиме, улучшить процесс горения, уменьшить выброс вредных газов от отработанного топлива в атмосферу, снизить расходные нормы газа на производство оптимального количества теплоносителя,
и в конечном итоге уменьшить себестоимость получаемого теплоносителя.
Разработанные системы управления котлоагрегатами с применением автоматизированных микропроцессорных комплексов (АМК-1) внедрены в структурных подразделениях Азнакаевского и
Мамадышского предприятий тепловых сетей, ОАО
«Казэнерго», ОАО «Татнефть», НГДУ «Бавлынефть»
и др. предприятиях энергетического комплекса [3-5].
Экономический эффект на различных типах теплогенерирующих установок составляет от 65 до
130 тыс. м
3
в год на один агрегат за отопительный период.
Кроме того, полученные результаты исследований служат развитию общей теории компьютерного моделирования, полезны при постановке экспериментальных исследований по энерго- и массопереносу, расчете обменных процессов при проектировании; позволяют значительно сократить объем необходимых экспериментальных исследований или полностью заменить натурные эксперименты на численные.
Литература
1. Беспалый П.А. Моделирование процесса парообразования в технологическом котле // Труды
Пермского государственного технического университета. – Пермь, 2005. – С. 85-91.
2. Антропов Д.Н. Энергосберегающие режимы работы теплоэнергетических установок с применением микропроцессорных комплексов // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. – Казань, 2007. – 22 с.
3. Садыков Р.А., Антропов Д.Н. Оптимальное управление и автоматизация технологии сушки биоактивных продуктов // Известия академии наук,
Энергетика, 2005, № 6. – С. 92-99.
4. Антропов
Д.Н., Садыков Р.А. и др.
Многопараметрический интеллектуальный датчик давления и температуры
(МД) для теплогенерирующих установок. Программа инновационных проектов «Идея-1000», диплом по номинации «Старт – 1». – Казань, 2008.
5. Садыков Р.А. и др. Водоподогреватель. Патент на изобретение РФ № 2351857 от 10.04.2009.

Каталог: files
files -> Основная часть 1 История создания школы
files -> Методические рекомендации по проведению Дня Знаний, посвященного Году кино в РФ
files -> Подросток и компьютерные игры
files -> Программа духовно-нравственного развития и воспитания обучающихся на уровне среднего общего образования
files -> Правила закаливания… Выпуск №1. Чтоб улыбка сияла. Мама первый стоматолог
files -> О существовании значения игры преследования
files -> Учебное пособие по нейрохирургии. Часть I. Краткая история нейрохирургии. Черепно-мозговая травма санкт-Петербург 2015


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2019
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал