Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время в Российской Федерации в силу растущих потребностей рынка малой энергетики разрабатывается и эксплуатируется порядка 20 типоразмеров газотурбинных установок (ГТУ) мощностью от 1 до 25 МВт. Конвертированные ГТУ для выработки электроэнергии создаются на основе серийных авиационных двигателей, что позволяет сохранить в среднем 70-75 % узлов базовых ГТУ. Вместе с тем особенности конструкции, новые условия эксплуатации, высокие требования к показателям качества вырабатываемой электроэнергии выдвигают задачу совершенствования систем автоматического управления (САУ) электроэнергетическими ГТУ.
Существующие методы разработки и испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ во многом наследуют принципы создания и испытаний САУ для авиационных прототипов и в недостаточной степени учитывают особенности эксплуатации ГТУ в качестве энергоприводов наземных многоагрегатных газотурбинных электростанций (ГТЭС). Во время проведения модельных и полунатурных испытаний САУ широко применяется компьютерное моделирование ГТУ, однако поведение электроэнергетической системы (ЭЭС) в должной мере не учитывается и не моделируется. В свою очередь, при натурных испытаниях ГТЭС используются стенды с ограниченной функциональностью по электрической нагрузке. Вместе с тем известно, что характеристики САУ ГТУ существенным образом зависят от особенностей режимов ЭЭС, обусловленных составом, поведением и значением электрической нагрузки, непрерывными изменениями в режимах работы ГТЭС и в конфигурации ЭЭС. В результате, из-за недостаточной полноты и завершенности испытаний, значительно увеличиваются объемы работ по настройке и подстройке САУ ГТУ во время пусконаладочных операций, непосредственно предшествующих вводу ГТЭС в эксплуатацию, что сопряжено с повышенной трудоемкостью, энергоемкостью, низким качеством настройки и, как следствие, проблемами обеспечения требуемых показателей качества вырабатываемой электроэнергии.
Исходя из изложенного, актуальность работы определяется очевидным противоречием между высоким потенциалом развития малой энергетики и сохраняющимся отставанием испытательной базы САУ ГТУ, что существенно увеличивает трудоемкость и энергоемкость испытаний, ухудшает характеристики систем управления и, как следствие, снижает показатели качества вырабатываемой электроэнергии.
К настоящему времени усилия исследователей по совершенствованию систем автоматизации испытаний САУ ГТУ сосредоточились в основном в области построения управляющих и моделирующих алгоритмов на основе концепции моделирующих динамических стендов. Это направление нашло отражение в работах В.Г. Августиновича, В.М. Боднера, В.М. Винокура, В.Т. Дедеша и др. Исследования, касающиеся развития информационно-управляющих систем автоматизации испытаний, представлены в работах Д.А. Ахмедзянова, Ю.В. Кожевникова, B.C. Моисеева, А.Х. Хайруллина,
Ф.А. Шаймарданова и др. Решению комплексных проблем развития систем автоматизации испытаний (САИ), как основы испытательной базы САУ ГТУ, уделяли значительное внимание центральные научные и проектные организации, существенный вклад в развитие методов испытаний САУ ГТУ внесли научные коллективы ведущих вузов Российской Федерации. Вместе с тем сложившаяся практика построения управляющих и моделирующих алгоритмов САИ ориентирована на испытания САУ авиационными ГТУ и в недостаточной степени учитывает специфику установок, конвертированных для нужд электроэнергетики. Кроме того, современные натурные испытания САУ не обеспечивают проведения исследований с воспроизведением характерных режимов работы ЭЭС. В связи с этим актуальным направлением автоматизации испытаний является формирование единого комплекса методов, моделей и алгоритмов САИ, обеспечивающего проведение испытаний САУ ГТУ с использованием компьютерной имитации ЭЭС.
Однако обеспечение взаимодействия ГТУ и ЭЭС при автоматизированных испытаниях САУ ГТУ является сложной проблемой. Требования гибкости по отношению к различным этапам и изменяющимся программам испытаний САУ ГТУ с учетом разнообразных структурных и параметрических характеристик ЭЭС делают необходимым придание САИ свойств настраиваемое при соблюдении условий быстрорешаемости применительно к моделям ЭЭС.
Возникает и ряд сопутствующих проблем: в настоящее время отсутствует общая концепция автоматизации испытаний САУ ГТУ с использованием компьютерного моделирования ЭЭС; не решена в полной мере задача моделирования взаимовлияния ГТУ и ЭЭС с изменяемой конфигурацией; недостаточно проработаны методы математического моделирования, идентификации и алгоритмизации применительно к задаче построения быстрорешаемых моделей ЭЭС для снижения трудоемкости испытаний САУ ГТУ; не сформирована методика структурно-параметрической настройки и оптимизации САУ ГТУ при компьютерных и полунатурных испытаниях; не разработаны принципы программной реализации указанных методов, моделей и алгоритмов.
Объект исследования - системы автоматизации испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ.
Предмет исследования - методы, модели и алгоритмы автоматизации испытаний САУ ГТУ с учетом взаимовлияния ГТУ и ЭЭС.
Целью диссертационной работы является решение важной научной проблемы разработки методологических и теоретических основ автоматизации испытаний САУ ГТУ, обеспечивающих снижение трудоемкости и энергоемкости испытаний, повышение эффективности САУ и улучшение показателей качества вырабатываемой электроэнергии за счет учета взаимовлияния ГТУ и ЭЭС методами математического моделирования.
Сформулированная цель определяет следующие задачи исследований:
1. Предложить концепцию построения систем автоматизации испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ с использованием совместного
математического моделирования ГТУ и ЭЭС при учете множества режимов работы и множества вариантов структурной организации ЭЭС на основе единых методологических принципов построения и функционирования САИ.
Разработать теоретические основы, методы и алгоритмы построения нелинейной динамической модели ЭЭС, состоящей из моделей структурных элементов, моделей взаимодействия структурных элементов и учитывающей зависимости между режимными и структурно-топологическими параметрами ЭЭС.
Разработать методику построения быстрорешаемых моделей ЭЭС на основе результатов компьютерных экспериментов с использованием первичной структурно сложной нелинейной модели ЭЭС для проведения компьютерных и полунатурных испытаний САУ ГТУ.
Разработать методику структурно-параметрической настройки и оптимизации САУ ГТУ с использованием полученных первичных нелинейных и быстрорешаемых моделей ЭЭС для снижения трудоемкости и энергоемкости испытаний, улучшения показателей качества вырабатываемой электроэнергии.
Выполнить программную реализацию полученных моделей и алгоритмов в составе математического, программного и информационного обеспечений иерархических САИ.
Методы исследований основаны на использовании результатов общей теории систем, теории автоматического управления, теоретических основ электротехники, теории оптимизации, методов идентификации, математической статистики, математического и имитационного моделирования сложных систем с применением вычислительных средств, теории графов, комбинаторной топологии и др.
Исследования проводились с использованием математических моделей, стендовых испытаний и в реальных условиях эксплуатации САУ ГТУ в составе ГТЭС.
Научная новизна.
Новизна предложенной концепции построения САИ заключается в том, что она получена на основе единых методологических принципов построения многоуровневых САИ САУ электроэнергетическими ГТУ с использованием разработанной структурной модели процессов подсистемы моделирования ЭЭС, что обеспечивает за счет предлагаемой интеграции повышение эффективности проведения испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ.
Новизна теоретических основ, методов и алгоритмов построения нелинейной структурно сложной математической модели ЭЭС заключается в разработке нового принципа формирования комплексной универсальной модели структурного элемента; в доказательстве утверждений о формах уравнений связи для моделирования взаимодействия структурных элементов на основе введенной в рассмотрение матрицы структуры ЭЭС; в разработке новых алгоритмов для моделирования структурных элементов и взаимодействия структурных элементов с учетом режимов работы структурно и параметрически модифицируемых ЭЭС.
Новизна методики формирования быстрорешаемых моделей ЭЭС заключается в новом подходе к построению моделей по результатам компьютерных экспериментов с использованием первичной структурно сложной модели ЭЭС; в обосновании иерархии моделей: первичная модель -быстрорешаемая модель; в разработанных алгоритмах структурной и параметрической идентификации для построения быстрорешаемых моделей; в формировании открытого множества быстрорешаемых моделей для проведения компьютерных и полунатурных испытаний САУ ГТУ.
Новизна методики структурно-параметрической настройки и оптимизации САУ ГТУ заключается в использовании при настройке и оптимизации первичных нелинейных и быстрорешаемых моделей ЭЭС модифицируемой конфигурации; в разработке алгоритмов автоматической настройки и оптимизации САУ ГТУ с использованием системы контрольных показателей и парето-оптимальных решений для снижения трудоемкости и энергоемкости испытаний, улучшения показателей качества вырабатываемой электроэнергии.
Новизна способов программной реализации полученных моделей и алгоритмов САИ заключается в оригинальных структурных решениях построения программных комплексов подсистем моделирования ЭЭС САИ на основе разработанной алгоритмической базы, адаптивной к произвольным структурам и составу ЭЭС.
Основные положения, выносимые на защиту, включают:
- концепцию построения системы автоматизации испытаний САУ ГТУ с
использованием математического моделирования ЭЭС модифицируемой
структуры в рамках разработанных методологических основ автоматизации
испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ;
-теоретические основы, методы и алгоритмы построения структурно и параметрически настраиваемой динамической математической модели для воспроизведения множества режимов работы и множества вариантов структурной организации ЭЭС;
методику построения быстрорешаемых моделей ЭЭС по результатам компьютерных экспериментов с использованием первичной структурно сложной динамической модели ЭЭС;
методику структурно-параметрической настройки и оптимизации САУ ГТУ на основе применения первичных нелинейных и быстрорешаемых компьютерных моделей ЭЭС;
программный комплекс моделей и алгоритмов для автоматизации испытаний САУ ГТУ, обеспечивающий гибкость по отношению к изменяющимся последовательностям испытаний и характеристикам ЭЭС.
Достоверность приводимых в работе результатов и выводов обеспечивается принятыми за основу объективно существующими физическими законами и закономерностями термодинамики и электромеханики, непротиворечивостью и воспроизводимостью результатов, полученных теоретическим путем, хорошим совпадением результатов компьютерного моделирования с экспериментальными данными.
Достоверность основных положений диссертации подтверждена положительными результатами внедрения разработанных моделей и алгоритмов в промышленности.
Практическая значимость работы.
Совокупность предложенных в работе идей, теоретических и прикладных результатов составляет новое направление в области автоматизации испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ.
Разработаны методики и алгоритмы моделирования, идентификации и испытаний, реализованные в составе математического, программного, информационного и методического обеспечений САИ промышленных предприятий. Автоматизация испытаний обеспечила существенное (в два раза и более) сокращение затрат времени на проведение испытаний как уже существующих, так и вновь разрабатываемых САУ; сокращение времени на выявление причин возникновения сбойных и аварийных ситуаций при проведении испытаний (на 20-30 %); повышение оперативности в получении, обработке и использовании информации о характеристиках САУ; повышение уровня интеллектуализации испытаний и универсальности САИ ГТУ; улучшение характеристик САУ и повышение качества вырабатываемой ГТЭС электроэнергии на 15-20 %, что подтверждается документами о внедрении.
Результаты диссертации патентно защищены и внедрены на предприятиях: ОАО «Авиадвигатель», ОАО «Протон-ПМ», ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез», ООО «Пермнефтегазпереработка», в Научно-образовательном центре энергосбережения (НОЦЭС) при ПНИПУ.
Научные аспекты исследований нашли отражение в лекционных курсах, читаемых автором студентам Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), в публикациях и выступлениях на всероссийских и международных научно-технических конференциях и семинарах.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на V, VI, VII Международных научно-практических конференциях «Энергопотребление и энергосбережение: проблемы и решения» (Пермь, 2002, 2003, 2004 гг.), Международной научно-практической конференции «САКС-2002» (Красноярск, 2002 г.), Всероссийской (с международным участием) конференции «Информация, инновации, инвестиции» (Пермь, 2004 г.), Международном научно-практическом семинаре «Современные программные средства для расчетов надежности и оценивания состояния режимов электроэнергетических систем» (Иркутск, 2004 г.), Международной научно-практической конференции «Энергетика, материальные и природные ресурсы. Эффективное использование. Собственные источники энергии» (Пермь,
г.), Всероссийском электротехническом конгрессе «ВЭЛК-2005» (Москва,
г.), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Мехатроника, автоматизация, управление» (Уфа, 2005 г.), Международном конгрессе по механике, электроэнергетике и судостроению (Варна, Болгария, 2005 г.), Всероссийской научно-практической конференции
«Управление инновациями: теория, инструменты, кадры» (С.-Петербург, 2009 г.), Всероссийских научно-технических конференциях «Энергетика. Инновационные направления в энергетике. CALS-технологии в энергетике» (Пермь, 2008, 2009, 2010 гг.), Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» (Казань, 2009 г.), Международной конференции «Авиация и космонавтика - 2009» (Москва, 2009 г.), Международной научной конференции «Актуальные направления развития прикладной математики в энергетике, энергоэффективности и информационно-коммуникационных технологиях» (Москва, 2010 г.), Международной научно-технической конференции «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы» (Екатеринбург, 2011 г.), Научно-техническом семинаре ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» (Москва, 2012 г.).
Дальнейшим направлением использования разработанных методик является поиск путей решения проблемных ситуаций на этапах разработки, модернизации и эксплуатации ГТЭС на организационном и технологическом уровнях с учетом экономической целесообразности принимаемых решений.
Связь исследований с научными программами. Исследования выполнялись в соответствии с НТП «Инновационная деятельность высшей школы» 2002-2003 гг.; при выполнении госбюджетной НИР «Разработка теоретических основ математического моделирования и оптимизации мини-энергосистем» 2004-2005 гг.; в рамках договора 13.G25.31.0009 между ОАО «Протон-ПМ» и Минобрнауки РФ от 07.09.2010 об условиях предоставления и использования субсидии на реализацию комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 64 научных работах (из них 19 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК), в том числе одна монография.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы, включающего 298 наименований и приложений. Основная часть работы содержит 372 страницы, 18 таблиц и 95 рисунков. Приложения содержат примеры расчетов характеристик, результаты компьютерных и натурных экспериментов, документы о внедрении результатов работы.
