Michał FER EN C
Politechnika Śląska, G liw ice
A N A L I Z A S K U T E C Z N O Ś C I R E G U L A C J I P R Z E G R Z E W A C Z A P A R Y W U K Ł A D Z I E K A S K A D O W Y M
S treszczen ie. W artykule przedstaw iono w ym agania staw iane układom regulacji prze- grzewaczy pary , opisano przyjęty m atem atyczny m odel dynam iki przegrzew acza oraz k a
skadowy u kład regulacji z ko m p en sacją zakłóceń. W ykonano obliczenia przebiegu regulacji tem peratury dla sko k o w y ch zm ian przepływ u pary, tem peratury pary w lotow ej i strum ienia ciepła dopły w ająceg o od spalin.
A N A L Y SE OF THE EFFICIENCY STEAM SUPERH EATED CONTROLLING IN C A SC A D E SYSTEM CONTROL
Sum m ary. The article show s the requirem ents that a steam superheats is to fulfil, de
scribes the m athem atical m odel for steam -superheated dynam ics, the cascade control system with com pensation o f perturbations. In the article are done calculations for abrupt changes o f steam flow, tem perature o f inlet steam and heat flux com ing from flue gas.
1. W Y M A G A N IA S T A W IA N E U K Ł A D O M R E G U L A C JI P R Z E G R Z E W A C Z Y PARY
W elektrow niach cieplnych dąży się do stosow ania ja k najw yższych tem peratur pary, bo
wiem w raz ze w zrostem tem peratury rośnie sprawność energetyczna obiegu. M aksym alna tem peratura pary je s t ograniczona w ytrzym ałością stali, z której je st w ykonany przegrzewacz.
U żyw ana w P olsce stal 10H2M w ytrzym uje m aksym alną tem peraturę 580 ° C . Ze w zględu na nieuniknione oscylacje tem peratury spow odow ane działaniem zakłóceń średnia tem peratura pary przegrzanej m usi być odpow iednio niższa. R ów nież czas bezaw aryjnej pracy (żyw ot
ność) przegrzew acza skraca się w raz ze w zrostem am plitudy i częstości zm ian tem peratury. Z
34 M. Ferenc
w ym ienionych pow odów staw ia się w ysokie w ym agania układom regulacji tem peratury pary przegrzanej. Jeżeli układ regulacji utrzym a małe odchyłki tem peratury przy istniejących za
kłóceniach ruchow ych, to m ożna będzie podw yższyć dopuszczalną tem peraturę średnią pary w ylotow ej z kotła. Ze w zględu na niekorzystne charakterystyki dynam iczne do regulacji tem peratury pary w końcow ych stopniach przegrzewaczy stosuje się złożone układy regulacji:
układy kaskadow e i układy kaskadowe z kom pensacją zakłóceń. W artykule przedstawiono
w yniki obliczeń skuteczności w ym ienionych układów regulacji w przypadku typow ych za
kłóceń.
2. S C H E M A T B L O K O W Y U K Ł A D U R E G U L A C JI P R Z E G R Z E W A C Z Y PARY
Przegrzew acz pary je s t obiektem o param etrach rozłożonych. Do opisu dynam iki prze- grzew acza pary należy stosować równania różniczkow e z pochodnym i cząstkow ym i, ale w obliczeniach przybliżonych często przyjm uje się opis uproszczony [1], [3]. W celu porów na
nia skuteczności różnych układów regulacji przyjęto uproszczony model dynam iki przegrze- w acza przedstaw iony na ry s.l.
D ynam ikę toru regulacyjnego przedstaw iającego w pływ tem peratury pary wlotowej na tem peraturę pary w ylotow ej opisuje człon inercyjny 3 rzędu, połączony szeregowo z członem opóźniającym , a dynam ikę zakłócenia przepływ em pary człon inercyjny 1 rzędu. Dynam ikę w tryskiw acza w ody opisuje człon inercyjny 1 rzędu. Stałe czasowe i w spółczynniki propor
cjonalności pow inny być dobrane w oparciu o pom iary na rzeczyw istym obiekcie.
Przyjęto kaskadow y układ regulacji połączony z kom pensacją od przepływ u pary. Regu
lator głów ny je s t ty p u PID, w którym człon różniczkujący D m a sygnał wejściow y wzięty od w ielkości regulow anej (tem peratury pary w ylotow ej), a nie od odchyłki regulacji. Regulatory konstruuje się tak dlatego, aby uniknąć różniczkow ania wartości zadanej, która może być zm ieniana ręcznie, a w ów czas jej pochodna zm ieniałaby się bardzo silnie i zakłócała ręczne sterow anie. R egulator nadążny je st typu P. Regulatory te są połączone szeregowo. Regulator głów ny PID steruje w artością zadaną regulatora nadążnego P. Sygnał kom pensacyjny od przepływ u pary je st doprow adzany na wejście regulatora nadążnego P (a nie na w ejście regu
latora głów nego PID ), dzięki tem u nie pow staje statyczny uchyb regulacji.
Rys. 1. Schem at blo kowy układu regulacji przegrzewacza pary Fig. 1. Block d ia g ra m of the steam superhea ted control system
LO
alizaskuteczności regulacji...
36 M. Ferenc
3. W Y N IK I O B L IC Z E Ń P R Z E B IE G Ó W R E G U L A C JI T E M P E R A T U R Y PA RY
O bliczenia przebiegów regulacji wykonano w arkuszu kalkulacyjnym EXCEL. Zestaw rów nań w ynikających ze schem atu blokowego oraz dane do obliczeń podano w załączniku.
N a rys. 2 przedstaw iono w ybrane w yniki obliczeń przebiegu regulacji tem peratury pary dla zakłóceń spow odow anych skokow ą zm ianą tem peratury pary dolotowej oraz przepływ u pary.
Porów nano trzy układy regulacji:
• zw ykły układ regulacji z regulatorem PID,
• układ kaskadow y z regulatorem głów nym PID i regulatorem nadążnym P,
• układ kaskadow y z k om pensacją od zakłócenia przepływ em pary.
Param etry regulatorów dobrano takie, aby m aksym alna odchyłka dynam iczna tem peratury by ła m ała, a oscylacje przebiegu regulacji były szybko tłum ione. W układach: kaskadow ym oraz kaskadow ym z kom pensacją zakłóceń przyjęto te same param etry regulatorów.
4. W N IO SK I
Z załączonych obliczeń w ynika, że kaskadowy układ regulacji je st bardzo skuteczny w przypadku zakłóceń tem peraturą pary wlotowej. M aksym alna odchyłka regulacji zm niejsza się z 24,6 % w układzie zw ykłym do 6 ,6 % w układzie kaskadow ym . Tak w yraźna poprawa dokładności regulacji je s t spow odow ana dobrym i w łasnościam i regulacyjnym i wtryskow ego schładzacza pary (m ałą stałą czasow ą schładzacza). W arunek stabilności dopuszcza nastaw ie
nie dużego w spółczynnika w zm ocnienia regulatora nadążnego, dlatego regulator ten szybko elim inuje zakłócenia pojaw iające się w układzie nadążnym . Skuteczność układu kaskadow e
go dla zm ian przepływ u pary je st znacznie mniejsza. Jest to spow odow ane niekorzystną cha
rak tery sty k ą toru regulacyjnego (inercja 3 rzędu) w odniesieniu do toru zakłócenia (inercja 1 rzędu o porów nyw alnej stałej czasowej). Poprawę w łasności regulacyjnych m ożna uzyskać poprzez podział całego przegrzew acza na m niejsze sekcje, przez co stałe czasowe też ulegną zm niejszeniu.
Z a k łó c e n ie te m p e ra tu rą p ary w lo to w e j Z a k łó c e n ie p rz e p ły w e m pary Układ zwykły z regulatorem PID
Układ kaskadowy bez kompensacji zakłóceń
Układ kaskadow y z kom p en sacją od z akłócenia przepływ em pary
Rys. 2. P orów nanie przebiegów regulacji tem peratury pary dla różnych układów regulacji Fig. 2 C om parizon output functions tem perature o f steam at the different control system s
38 M. Ferenc
L IT E R A T U R A
1. Ferenc M ., A utom atyczna regulacja m aszyn i urządzeń energetycznych, Skrypt Politechni
ki Śląskiej n r 1010, G liw ice 1981
2. N iederliński A., Z biór zadań z autom atyki p rocesów przem ysłow ych, Skrypt Politechniki Śląskiej nr 169, G liw ice 1967
3. Rakow ski J., A utom atyka cieplnych urządzeń siłowni, W NT, W arszawa 1976
Recenzent: Prof, dr hab. inż. Jan M. Taler
A bstract
The article d escribes the m athem atical m odel for steam superheated dynam ics, the cas
cade control system w ith com pensation o f perturbations. In the article are given calculations for abrupt changes o f steam flow , tem perature o f inlet steam . The cascade control system is very effective for elim inate som e disturbance provoked by changeable tem perature o f inlet steam . The cascade control system w ith com pensation o f perturbations is recom m ended for reduction o f steam flow disturbance.
