Главная  —  Публикации

Объективное моделирование тепловых электростанций

1. Введение

Российская компания "Тренажеры для электростанций" представляет метод моделирования тепловых электростанций, который, условно говоря, можно назвать объективным моделированием. Суть этого метода в том, что в процессе создания модели объекта (котла и/или турбины) разработчики используют только конструктивные и проектные данные моделируемого объекта. При этом параметры статических режимов, полученные с реального объекта, в процессе разработки либо не используются вовсе, либо используются в минимальной степени. Динамические характеристики, полученные на реальном объекте, в процессе разработки не используются. Данные, полученные с реального объекта, могут использоваться на последних этапах разработки тренажера для корректировки ограниченного множества коэффициентов в уравнениях, описывающих объект. В это ограниченное множество входят те коэффициенты, которые трудно или принципиально невозможно точно определить на основе проектных данных.

На этой же конференции в 2003 году наша фирма представила описание используемого нами алгоритма моделирования топки котла, основанного исключительно на проектных и конструктивных данных. В этом алгоритме единственный конструктивный параметр, который не поддается точному определению на основе проектных данных, характеризует расположение факела в топке по высоте. Известно, что реально это расположение зависит от множества факторов: угла расположения осей горелок, распределения подачи воздуха по высоте топки, распределения топлива по ярусам горелок и так далее, которые в совокупности трудно поддаются учету. Это основная причина, почему данный параметр моделирования топки в тренажере может требовать некоторой корректировки на поздних стадиях разработки тренажера.

Наша фирма за последние 7 лет поставила российским энергокомпаниям более 20 тренажеров для блоков тепловых электростанций различного типа. Все эти тренажеры были созданы на основе метода объективного моделирования, который описывается ниже.

2. Суть подхода и проблемы

Статические и динамические характеристики реального энергоблока определяются множеством факторов, которые можно условно разделить на следующие группы:

• основные конструктивные параметры оборудования, выбираемые на этапе проектирования, такие как:
• величины поверхностей нагрева в различных зонах котла,
• сечение для прохода газов в различных зонах котла,
• количество и конструктивные параметры ПВД (HP-heaters) и ПНД (LP-heaters)
• масса метала отдельных компонент оборудования
• и т.д.
• параметры, окончательно определяемые только после монтажа оборудования, например, степени эффективности использования различных поверхностей нагрева, термическое сопротивление изоляции, высота факела в топке и т.д.
• внешние факторы, не зависящие от конструктивных параметров энергоблока, такие как:
• состав поступающего в данный момент топлива (например, в какой-то момент времени топливо может иметь повышенную влажность или котел может работать на смеси разных топлив)
• температура окружающего воздуха
• температура охлаждающей воды
• факторы, зависящие от особенностей эксплуатации энергоблока, такие как:
• степень загрязнения поверхностей нагрева в котле, трубок в конденсаторе и т.д.
• качество изоляции поверхностей нагрева от внешней среды
• величина присосов воздуха в различных элементах котла и в конденсаторе турбины

Оператор воспринимает свойства объекта через установленную на объекте систему контроля и управления. Поэтому дополнительными факторами, которые влияют на восприятие человеком свойств энергоблока, являются следующие:

• свойства измеряющих датчиков и особенности их монтажа
• свойства самой системы управления

Суть метода объективного моделирования состоит в следующем.

1. Моделирование базируется на так называемых основных принципах:
• законах баланса тепла, массы и количества движения
• на уравнениях термодинамики воды, пара и газовых смесей
• на критериальных уравнениях теплообмена

1. Для объекта моделирования строится единая система уравнений, описывающая его поведение во всех режимах работы, начиная от исходного состояния для холодного пуска и заканчивая номинальным состоянием работы блока с полной нагрузкой
2. Все коэффициенты этой системы уравнений прямо или косвенно определяются на основе конструктивных данных моделируемого объекта
3. Значения основной массы коэффициентов в этих уравнениях (по нашей оценке не менее 95% из них) могут быть точно вычислены. Эти значения определяются и являются окончательными. Это означает, что в процессе отладки и тестирования тренажера разработчик не меняет значений этих коэффициентов. Исключением является случай, когда оказывается, что при определении какого-то коэффициента была допущена ошибка.
4. Значения тех коэффициентов уравнений, которые нельзя точно вычислить по конструктивным данным энергоблока, выбираются на основе оценки статистических данных, основанных на анализе большого количества различного оборудования подобного типа. Для котельных агрегатов такой статистический анализ в России был проведен в период с 1950 по 1980 годы. Результатом этой работы стал уникальный в своем роде материал "Нормативный метод расчета котельных агрегатов", который в законодательном порядке еще в рамках СССР должен был использоваться при расчетах всех котлов, разработанных в СССР. Например, существуют статистические оценки потерь тепла в окружающую среду, перетоков воздуха в уходящие газы в регенеративных воздухоподогревателях, коэффициентов эффективности использования поверхностей нагрева в газоходах котлов разных типов, и так далее.
5. При необходимости значения статистически выбираемых коэффициентов в дальнейшем могут быть легко скорректированы
6. Внешние факторы, влияющие на поведение оборудования, должны являться для объективной модели граничными условиями, которые могут оперативно меняться инструктором тренажера в процессе работы. Например, инструктору позволено начать пуск блока на тренажере при температуре окружающего воздуха 10° С (ночью), а закончить его при температуре окружающего воздуха 25° С (день).

Примером статистически выбираемого коэффициента является коэффициент, связывающий потери тепла в окружающую среду с разностью текущей температуры метала и температуры окружающего воздуха. Если в дальнейшем окажется, что в рамках тренажера при этих коэффициентах энергоблок остывает быстрее или медленнее, чем в реальности, коэффициенты корректируются в соответствующую сторону – и только.

Пример.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании коридорных пучков и ширм во всех режимах работы котла вычисляется по формуле:

где Cz – поправка на число рядов труб по ходу газов
Cs – поправка на геометрическую компоновку пучка, зависящая от продольного и поперечного шагов труб в пучке
l – коэффициент теплопроводности при средней температуре потока
n - коэффициент кинематической вязкости при средней температуре потока
d – диаметр труб
v – мгновенная скорость газов
Pr – критерий Прандтля при средней температуре потока

Мы в своих тренажерах для таких пучков используем именно эту формулу. В ней есть конструктивная часть (Cz, Cs, d) и режимная часть. Конструктивная часть имеет четкий физический смысл.

Для того чтобы в тренажере имело бы смысл использовать эту формулу, необходимо чтобы тренажер во всех режимах правильно считал скорости газов в районе такого пучка (а чтобы считать скорость газов необходимо знать площадь проходного сечения для газов – еще один явный конструктивный параметр, необходимый для расчетов), состав газов с учетом присосов воздуха (от состава газа зависит, например, Pr) и температуру газового потока.

Но этого мало. Для того чтобы на основе вычисленного коэффициента теплоотдачи подсчитать поток тепла необходимо в процессе разработки тренажера определить поверхность теплообмена (еще один конструктивный параметр) для данного пучка, а также во всех режимах правильно считать температуру металла.

Как видно, для того, чтобы в тренажере использовать точные методы вычислений, тренажер должен много чего уметь.

Еще одно очень важное свойство объективного моделирования. Если в каком-либо режиме работы тренажера вычисленный таким образом коэффициент теплоотдачи не удовлетворяет разработчика, то проблему надо искать либо в текущей скорости потока, либо в текущем составе газов. Таким образом, в процессе тестирования тренажера облегчается локализация причины ошибки.

У объективных тренажеров есть замечательное свойство. Если некоторый режим объекта не совпадает с соответствующим режимом тренажера, то с высокой вероятностью прав оказывается как раз тренажер.

Пример. Специалисты одного из наших Заказчиков предъявили нам следующую претензию. "В номинальном режиме работы блока тренажер работает правильно, но когда мы разгрузили котел до 70%, у нас значение мощности турбины на тренажере значительно отличается от того, что мы имеем на реальном блоке". У нас такого не может быть – мы в этом уверены. Стали разбираться, в чем дело. Оказалось, что разработчики системы управления для измерений расходов пара не реализовали коррекцию по плотности (чтобы в АСУ во всех режимах иметь правильное показание для расходов пара надо учитывать изменение плотности пара). В этом случае тренажер поймал разработчиков АСУ за руку.

Другой пример. В одном из наших тренажеров температура дымовых газов в поворотной камере на 90° C выше, чем та же температура, которую в похожем режиме видят операторы на реальных блоках. Все остальные параметры очень близки. Проблема в том, что у Заказчика 4 одинаковых блока, и на всех температура в поворотной камере примерно одинаковая и ниже чем у нас на 90° C. Нам удалось с цифрами в руках убедить Заказчика, что если бы реальная температура газов в этой точке была бы как у них, то им бы не хватило тепла, чтобы нагреть острый пар и пар промперегрева до нужной температуры (в этом котле выходные поверхности острого пара и промперегрева находятся после поворотной камеры).

При ближайшем капитальном ремонте Заказчик разобрался, что причиной является неудачное место установки термопар в газоходе.

Мы не раз убеждались, что объективный тренажер лучше знает некоторые режимы работы моделируемого оборудования, чем специалисты Заказчика.

3. Отличие от более традиционного подхода

При более традиционном подходе процесс разработки тренажера организован иначе.

Во-первых, определяется объем приемосдаточных испытаний, после чего формально тренажером считается нечто, что реализует перечисленные там опыты.

Далее, Заказчик в той или иной форме передает исполнителю информацию по режимам работы оборудования. Эта информация считается истиной в последней инстанции в том смысле, что Заказчик взял на себя за нее ответственность.

После этого исполнитель на заданном множестве опытов пытается приблизить режимы работы оборудования к тем, что ему дал Заказчик.

При этом фактически подменяется задача построения тренажера. Вместо того, чтобы разрабатывать тренажер, который адекватно воспроизводит энергоблок во всех его режимах, разрабатывается тренажер, который обеспечивает приемлемое совпадение с реальным объектом только в заранее выбранных и согласованных режимах. Во всех других режимах - полная неопределенность. Мы согласны с тем, что за рамками объективного моделирования задача воспроизведения даже заранее согласованных, но сложных режимов работы такого объекта как энергоблок, является крайне сложной. Для ее решения необходимы нетривиальные математические и программные средства. Однако нам кажется, что это тот случай, когда эти средства используются впустую.

Вернемся для примера к вычислению коэффициента теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании коридорных пучков и ширм. Суть в том, что если у меня есть статический режим, снятый с реального оборудования, то основываясь на балансе тепла я могу вычислить для этого режима тепло, передаваемое от газов к металлу. Чем больше режимов работы реального оборудования есть у меня, тем больше конкретных значений передаваемого тепла для разных режимов работы оборудования я могу иметь. Чем больше известных точек имеется, тем точнее можно построить аппроксимацию для промежуточных точек. Например, я могу считать, что нужный мне коэффициент конвективной теплоотдачи зависит не от тех параметров, что перечислены выше, а от каких-то других, по которым у меня есть информация. Моя аппроксимация будет примерно верна в тех точках, для которых у меня была информация, а во всех остальных точках – как получится.

Поскольку при таком подходе расход тепла от газов к металлу считается не совсем точно, не имеет смысла строго на основе физических законов считать и температуру металла. И так далее.

Конечно, мы описали очень грубый подход к моделированию. Более продвинутый разработчик может в принципе считать по той же "объективной" формуле, но аппроксимировать, например, скорость дымовых газов для разных режимов и считать критерий Прандтля только функцией температуры газовой смеси, а не ее состава.

Вывод напрашивается сам собой. Чтобы Заказчик тренажера был бы гарантирован, что разработчик действительно строит вычисления на основе физических законов, он (Заказчик) заинтересован не предоставлять разработчику данные по режимам работы своего оборудования до момента начала тестирования тренажера, когда тренажер уже в значительной мере готов. Только так можно застраховаться от ничем не обоснованной аппроксимации в тех случаях, когда она реально не нужна.

Конструктивные данные, безусловно, предоставлять нужно с самого начала.

4. Преимущества объективного моделирования для разработчика

Одним из главных преимуществ объективного моделирования для разработчика тренажера состоит в том, что облегчается поиск ошибок моделирования за счет того, что значительная часть коэффициентов в уравнениях не требует корректировки. Например, смоделировав и отладив перегреватель котла, мы никогда не меняем его динамические свойства. При этом может оказаться, что в процессе растопки котла на тренажере температуры металла по тракту растут слишком быстро в сравнении с реальным котлом. Но мы знаем, что динамические свойства перегревателя у нас обусловлены его истиной металлоемкостью и его истинным внутренним объемом. Поэтому необоснованный рост температуры при пуске не мог быть вызван динамическими свойствами самого перегревателя в тренажере. В одном из случаев у нас оказалось, что это было связано, например, с маленькой пропускной способностью в тренажере сброса острого пара в конденсатор, вследствие чего при растопке расход пара через перегреватель был слишком мал.

5. Преимущества объективного моделирования для Заказчика

На первый взгляд возможные плюсы объективного моделирования для Заказчика не очень очевидны. Посмотрим.

1. Объективный тренажер правильно воспроизводит любой статический режим работы оборудования.

Пример из жизни. У руководства реального энергоблока может возникнуть следующий вопрос. Если мы завтра выведем в ремонт один циркуляционный насос, то какую максимальную нагрузку блок сможет иметь при условии, что температура охлаждающей воды, например, 25 C, а температура окружающего воздуха 28 C? Объективные тренажеры дают точный ответ на подобный вопрос в течение нескольких минут.

Другой пример из жизни. На реальном теплофикационном энергоблоке 250 MW по условиям работы упорного подшипника турбины ремонтная организация дала рекомендацию временно ограничить расход острого пара на турбину в рамках заданной величины. У руководства станции возник вопрос, какой режим работы блока необходимо будет поддерживать, чтобы иметь возможность выполнить задание по отпуску электричества и тепла? К счастью у них был наш тренажер. Инструктор тренажера выставил несколько таких режимов (с включенной и отключенной группой ПВД и т.д.) опять же с учетом температуры реальной охлаждающей воды в тот момент, и руководство сумело заранее выбрать режим, в котором будет работать этот блок.

2. Объективный тренажер адекватно воспроизводит любой динамический режим работы оборудования.

Пример из жизни. На реальном блоке приняли решение в первый раз произвести кислотную промывку поверхностей барабанного котла. Основные параметры нештатного режима работы котла в период промывки были известны (давление в барабане должно быть примерно 4 M P a в то время как номинальный режим работы этого котла - 14 M P a), однако точных инструкций как это делать не было. Отработку режима провели на тренажере, после чего достаточно точно воспроизвели его на реальном котле.

3. Объективный тренажер позволяет обучать операторов пускам блока из любых тепловых состояний. Исходные состояния для пусков инструктор тренажера получает сам. При этом если он на тренажере остановит блок и тот будет стоять в течение 2 часов, то получится исходное состояние для горячего пуска, если блок будет стоять 5 часов, то получится исходное состояние для теплого пуска, если блок будет стоять 15 часов, то получится исходное состояние для другого теплого пуска и т.д.

4. Объективный тренажер позволяет Заказчику обратить внимание на потенциально проблемные области реального оборудования и АСУ блока.

5. Наконец, только объективный тренажер может быть разработан для оборудования, которое спроектировано, монтируется, но еще не введено в работу.

Мы только что (в декабре 2003 года) завершили разработку и передали Заказчику тренажер паро-газовой установки ( combined circle gas-steam unit ) мощностью 450 MW, которая планируется к вводу в эксплуатацию только в 2005 году. С марта 2004 года станция планирует начать обучение операторов с использованием этого тренажера.

6. Как понять, что тренажер не основан на объективном моделировании

Если разработчик требует у специалистов Заказчика рассказать, как этот блок работает, то, скорее всего, такие разработчики не придерживаются объективного моделирования.

Если разработчик не запросил у Заказчика точные конструктивные данные о необогреваемых поверхностях котла (коллектора, перепускные трубы и т.д.), то разработанный им тренажер не может быть объективным. В реальной жизни необогреваемые поверхности на 40-50% определяют динамические свойства котла, в то время как для статических характеристик котла они не играют никакой роли. Если разработчик не интересуется параметрами этих поверхностей, то ожидать от тренажера адекватного воспроизведения динамических свойств котла нельзя. В России у нас одна из основных трудностей – получение исходных данных по необогреваемым поверхностям котла, поскольку, как правило, у Заказчика такой информации в собранном виде нет.