Лекция 8 Применение мехатронных систем в энергетике

Несмотря на сравнительно простую структуру практически с единственным видом продукции и относительно малой номенклатурой потребляемого сырья и материалов, современная ТЭС является довольно сложным объектом управления с многочисленными внешними и внутренними связями.

Системе управления ТЭС присущи все основные признаки сложных мехатронных систем:

1- наличие цели управления и необходимость отыскания условий оптимальности действия системы;

2 - взаимодействие элементов системы с внешней средой, являющейся источником случайных возмущений, т. е. необходимость приспосабливаемости системы к многочисленным факторам, определяющим прогнозирование потребления электроэнергии (структура производства, климат, изменение качества топлива и т. п.);

3 - регулирование процессов на основе применения принципов обратных связей, т. е. наличия соответствия обратных связей управляющим воздействиям (прямым связям) для всех каналов управления;

4 - управление процессами на основе передачи, приема и последующей обработки информации, т. е. непрерывная циркуляция информации между всеми элементами и звеньями системы.

Особенности современной ТЭС предопределяют большой объем и разнотипность задач по ее управлению. Создание оптимальных условий эксплуатации для таких сложных объектов невозможно без соответствующих систем автоматизированного управления (АСУ ТЭС).

Основная задача АСУ ТЭС - обеспечение оптимального использования материальных и трудовых ресурсов для надежного и качественного производства электроэнергии в соответствии с заданиями АСУ энергосистемы или энергообъединения. При создании АСУ ТЭС необходимо учитывать сложный комплекс вопросов операционно-диспечерского и производственно-хозяйственного управления, а также различных связей с высшими (энергосистема) и низшими (энергоблоки и другое оборудование) уровнями иерархической системы для возможного обмена информацией.

Повышение сохранности оборудования достигается путем:

- улучшения текущего контроля состояния оборудования;

- автоматизации управления оборудованием в нестационарных и аварийных режимах;

- автоматизации анализа аварийных ситуаций и улучшения технологической защиты.

При решении оперативно-диспетчерских задач, как правило, требуется большой объем информации и ее интенсивная переработка с оперативной выдачей управляющих воздействий. Эти управления технологического плана и связаны с оперативным персоналом энергооборудования или системами автоматического управления. В результате оптимального оперативно-диспетчерского управления соответствующие параметры в процессе производства электроэнергии должны поддерживаться постоянными, экстремальными или изменяться по заранее заданному закону.

Одним из основных вопросов, возникающих при разработке АСУ ТЭС, является выбор ее оптимальной структуры, что сопряжено со значительными методологическими трудностями. Они обусловлены недостаточной изученностью современной ТЭС как объекта управления для АСУ, основной задачей которой в данном случае является организация единого упорядоченного и взаимно согласованного функционирования всех многочисленных звеньев (участков) и элементов (агрегатов, механизмов ТЭС). Создание АСУ ТЭС — это проблема синтеза ее алгоритмической, функциональной, информационной и технической структур. Синтез этих структур должен рассматриваться как единая задача оптимизации ее со своим критерием, отражающим экономическую эффективность производства. На рис. 4.1 представлен пример создания АСУ газовой горелкой тепловой установки ТЭС.

Рис.4.1 Схема питания топки парового котла и системы авторегулирования узлом горения

Оборудование и технологические процессы на атомной электростанции также являются достаточно сложными и обладающими рядом особенностей, отличающих АЭС с точки зрения управления от тепловой электростанции на органическом топливе. К этим особенностям относятся:

а) работа оборудования в условиях высокой степени радиации, больших давлений и температур, при наличии быстропротекающих, ядерно-физических и тепловых процессов;

б) недоступность большей части оборудования во время работы установки и в течение некоторого времени после ее останова из-за существующей опасности радиационного поражения персонала;

в) необходимость обеспечения безопасности АЭС как при нормальной эксплуатации, так и при авариях.

Все эти особенности делают АЭС весьма сложным объектом управления, требующим высокой степени автоматизации оборудования и централизации управления, применения современных средств вычислительной техники, высоконадежной и эффективной системы управления.

Современная система управления технологическими объектами является автоматизированной системой. Это человеко-машинная система, в которой функции управления распределены так, что с помощью технических средств осуществляется автоматическое управление основными технологическими процессами в нормальных и аварийных, режимах, а функции контроля за работой технических средств, их резервирования и управления неавтоматизированными операциями и в незапрограммированных ситуациях выполняются персоналом. При решении задач управления технологическими процессами автоматизированная система управления призвана обеспечить наиболее эффективную и безопасную работу АЭС.

Рис.4.2 Иерархическая структура автоматизированной системы управления отраслью энергетики — ОАСУ «Энергия»

Наряду с управлением технологическими процессами на автоматизированную систему управления могут быть возложены оперативно-диспетчерское управление, управление производственно-технической или хозяйственной деятельностью и управление ремонтами. Указанные задачи решаются на основе экономико-математических методов с использованием средств вычислительной техники с целью обеспечения наилучшего использования технических, материальных и трудовых ресурсов для производства электроэнергии. Однако большая часть этих задач решается не на станции, а на более высоком уровне управления энергетикой, а именно — на уровне управления энергосистемой. На АСУ АЭС возлагается управление технологическими процессами АЭС, включая некоторые функции оперативно-диспетчерского и производственно-технического управления, имеющие прямое отношение к технологическим процессам на АЭС. Сюда относятся такие функции, как распределение мощности между блоками, регулирование мощности и частоты, а также осуществление необходимой обработки информации и расчетов по активным зонам реакторов, связанных с оперативной работой персонала блоков, и некоторые другие.

Таким образом, АСУ АЭС по своему характеру может быть отнесена полностью к интегрированной АСУ технологическим процессом. На атомной электростанции АСУ ТП является двухуровневой, т. е. включает общестанционный уровень управления и уровень управления энергоблока.

В иерархической структуре автоматизированной системы управления отраслью энергетики—ОАСУ «Энергия», как видно из рис. 4.2, АСУ ТП АЭС является самой нижней ступенью 1, над которой располагаются АСУ энергосистем 2, зональные управляющие центры 3 и Главный управляющий центр ОАСУ «Энергия» 4.

Автоматизированная система управления технологическими процессами АЭС призвана решать две основные группы функций — информационные и управляющие. Управляющие функции АСУ ТП осуществляются в виде дистанционного и автоматического управления агрегатами и механизмами, автоматического регулирования, технологических защит и оптимизации технологического процесса.

С целью наиболее рационального распределения получаемой информации по постам управления блока контролируемые параметры разделяются по степени важности на три группы:

1. Наиболее ответственные параметры, постоянный контроль которых обеспечивает безопасность работы установки и характеризует протекание основных технологических процессов в нормальных и переходных режимах. К этой группе параметров относятся уровень мощности реактора, скорость ее изменения, основные параметры теплоносителя, мощность, отдаваемая генератором в сеть, а также параметры, связанные с системами безопасности и технологическими защитами и т. п.

2. Это параметры, отражающие качественные показатели работы блока и необходимые для оптимизации технологического процесса и оперативного управления блоком. Сюда относятся распределение энерговыделения и температурный контроль по активной зоне реактора, отдельные параметры теплоносителя и данные о работе оборудования второго контура (частично и по первому контуру), параметры работы вспомогательных устройств.

3. В эту группу входят параметры, контроль которых необходим для отчетности, расчетов технико-экономических показателей и накопления статистических данных для изучения установки и оптимизации эксплуатационных режимов.

На АЭС применяется сигнализация двух видов — технологическая и аварийная. Технологическая сигнализация служит для предупреждения персонала об отклонении рабочих параметров от установленных пределов и нарушении режима технологического процесса, а также для сигнализации состояния механизмов и положения арматуры. Аварийная сигнализация выдает персоналу информацию о срабатывании защит, аварийных остановах, включениях резерва и аварийном отклонении технологических параметров.

Подсистема дистанционного и автоматического управления служит для воздействия на электрифицированные приводы механизмов и запорно-регулирующей арматуры, расположенные в различных местах энергетического блока, дистанционно с поста управления или автоматически по заданным логическим программам. На АЭС дистанционное управление достигло высокой степени централизации, когда почти 100% приводов задвижек и механизмов ядерной энергетической установки управляется с блочных щитов управления (БЩУ). Для АЭС является также характерным наличие дистанционного управления некоторыми приводами механизмов и арматуры с двух мест — БЩУ и РЩУ (резервный щит управления).

Средствами технологической защиты оснащается все основное технологическое оборудование АЭС. Получая информацию о состоянии оборудования и технологических параметрах, устройства защит действуют при глубоких нарушениях технологического процесса или неисправностях оборудования, грозящих вызвать аварийную ситуацию. При этом автоматически осуществляются отключение отдельных неисправных агрегатов, снижение нагрузки или полный останов блока. Количество защит и сложность их электрических схем во многом зависят от конструктивных особенностей и надежности основного оборудования. К подсистеме технологических защит можно условно отнести блокировки, назначение которых часто приводит и к защитным действиям, хотя наряду с ними осуществляют и автоматическое управление отдельными элементами технологического оборудования. Подсистема технологических защит может включать в себя устройства защиты системы управления и защиты реактора.

В соответствии с этими функциями в подсистеме осуществляются прием информации о технологических параметрах, формирование законов регулирования и управляющих воздействий, выдача информации о работе регуляторов. В схемах автоматического регулирования энергетических объектов могут быть выделены четыре основные группы регуляторов:

1. Первая группа включает в себя особо ответственные регуляторы, обеспечивающие надежность работы агрегатов. Функции таких регуляторов не могут быть заменены ручным воздействием оператора, а выход их из строя влечет за собой, как правило, останов агрегата (например, регулятор скорости турбины).

2. Ко второй группе относятся режимные регуляторы, обеспечивающие нормальное ведение процесса (например, регуляторы питания и т. п.). Отключение их не вызывает обычно останова агрегата, так как регулирование, хотя и менее экономично, может вестись вручную.

1. К третьей группе относятся пусковые регуляторы, обеспечивающие поддержание необходимых параметров в процессе пуска агрегата. Эти регуляторы не принимают участия в работе оборудования при нормальном режиме.

2. Местные регуляторы, обеспечивающие регулирование вспомогательных процессов, например уровня воды в деаэраторах, подогревателях и т. п., составляют четвертую группу.

Подсистема технологических защит применяется для сохранения оборудования от повреждений и предупреждения аварий. На электротехническом оборудовании (электродвигателях, генераторах, трансформаторах) применяется защита от перегрузки, перенапряжения, токовая, грозовая и другие виды защиты.

Средствами технологической защиты оснащается все основное технологическое оборудование АЭС. Получая информацию о состоянии оборудования и технологических параметрах, устройства защит действуют при глубоких нарушениях технологического процесса или неисправностях оборудования, грозящих вызвать аварийную ситуацию. При этом автоматически осуществляются отключение отдельных неисправных агрегатов, снижение нагрузки или полный останов блока. Количество защит и сложность их электрических схем во многом зависят от конструктивных особенностей и надежности основного оборудования. К подсистеме технологических защит можно условно отнести блокировки, назначение которых часто приводит и к защитным действиям, хотя наряду с ними осуществляют и автоматическое управление отдельными элементами технологического оборудования. Подсистема технологических защит может включать в себя устройства защиты системы управления и защиты реактора (СУЗ).

Несмотря на разнообразие типов и конструкций реакторов, к структуре и техническим средствам их систем регулирования предъявляются общие требования: высокая надежность, необходимость значительного усиления малых (несколько десятков микроампер) сигналов датчиков нейтронного потока, необходимость управления исполнительными органами с помощью сигналов с особыми характеристиками и т. д. Совокупность этих требований приводит к тому, что технические средства, применяемые для управления реакторами, обычно отличаются от общепромышленных средств, применяемых для регулирования других агрегатов АЭС.