případová studie: elektrárna ledvice

25
Případová studie: Elektrárna Ledvice Tematický blok předmětu MAUP Milan Findura OSC a.s., Staňkova 18, Brno [email protected]

Upload: maris

Post on 05-Jan-2016

43 views

Category:

Documents


3 download

DESCRIPTION

Případová studie: Elektrárna Ledvice. Tematický blok předmětu MAUP Milan Findura OSC a.s., Staňkova 18, Brno finduram @ osc.cz. Obsah tématu. Zadání úkolu Popis technologie Popis technologie a jejího řízení Analýza problému a postup řešení Řešení na matematickém modelu - PowerPoint PPT Presentation

TRANSCRIPT

Page 1: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

Případová studie: Elektrárna Ledvice

Tematický blok předmětu MAUP

Milan Findura

OSC a.s., Staňkova 18, Brno

[email protected]

Page 2: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Obsah tématu

Zadání úkolu

Popis technologie

Popis technologie a jejího řízení

Analýza problému a postup řešení

Řešení na matematickém modelu

Diskuse výsledků

Page 3: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Zadání

Požadavek:

Navrhněte uspořádání základních regulací na bloku 110 MWe Elektrárny Ledvice tak, aby byl schopen poskytovat podpůrnou službu primární regulace (PR)

Navržené řešení musí být čistě regulační, nesmí vyžadovat investice do výrobní technologie

Bližší specifikace (Kodex přenosové soustavy - upraveno)

PR je autonomní lokálně řízená změna výkonu turbogenerátoru (TG) určená ke kompenzaci rychlých složek poruchy výkonové rovnováhy elektrizační soustavy.

Podnět ke změně: odchylka frekvence 50.000 Hz o max. ±200 mHz

Požadovaná reakce: změna výkonu s opačným znaménkem o ±5.5 MW (pro blok 110 MWe)

Rychlost změny: zahájení do 2 s 50% do 10s 100% změny do 30s udržet podle potřeby

Page 4: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Specifika regulace energetických bloků

velký rozměr regulační úlohy

složitá dynamika funkčních celků

silné vazby vzájemného ovlivnění

nelinearity a hystereze

fluktuace vlastností s časem

intervenční zásahy obsluhy (částečné ruční řízení…)

přísné požadavky na dynamiku a parametry regulací

omezení provozních zkoušek – obvykle za provozu

Page 5: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Elektrárenský blok - technologie

G

bunkruhlí

podavač

sušičkauhlí

ventilátorovýmlýn s třidičem

hořák+primární vzduchsekundární vzduch

struska

terciární vzduch

výparník

přehříváky I, II, III

přihřívák

ekonomizér

ohřívákvzduchu

napájecí čerpadlo a ventil

vzduchovýventilátor

kouřovýventilátor

filtrace a odsíření

napájecínádrž

generátor

středotlakýa nízkotlaký díl

vysokotlakýdíl

chladicí věž

turbína

Typický hnědouhelný práškový blok (např. B3 ELE, 110 MWe)

Page 6: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Elektrárenský blok – tok a přeměna energie

G

chemická tepelná

(1 s)

přestuptepla(30 s)

Přeměny druhů energie (čas.konst. s)Akumulace energie (MWe.min)*

* Poznámka: 1 MWe.min = 60 MJ

teplomechanická

(5 s)

mechanickáelektrická

(<1 s)

přestuptepla(1 s)

palivo

(oo)

zásoba prášku(1 MWe.min)

tlakový trakt kotle(5 MWe.min)

tlakový trakt turbíny(1 MWe.min)

340 MW

Toky energie (MW)340 MW

110 MW

230 MW

prostor pro

kogeneraci

mechanická úprava paliva

(150s)

150 s 30 s 5 s

Page 7: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Elektrárenský blok – hlavní akční orgány

G

otáčky podavače(tepelný výkon)

akční orgán (ovládaná veličina)

vstřikový ventil(teplota páry) ventily TG

(elektrický výkon)

napájecí ventil(chlazení výparníku)

vzduchový ventilátor(kvalita spalování)

kouřový ventilátor(odtah spalin)

6 základních regulací:

Page 8: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Elektrárenský blok – způsoby řízení

základní regulace bloku (6 ks) palivo, voda, vzduch teploty, odtah (elektrický) výkon(silné vzájemné vazby smyček => MIMO)

klíčové regulace = palivo, výkonpodle uspořádání:

předtlaková regulace (turbine-follows mode) elektrický výkon určen přísunem paliva TG reguluje tlak mezi K-TG statický, stabilní, robustní, pomalý

(klasická) výkonová regulace (boiler-follows mode) TG řídí elektrický výkon podle potřeby, KOTEL udržuje tlak palivem astatický, náchylný ke kmitání, rychlý.

T GKOTELpalivo pára

RT

zNe

Ne

zYRV

RV

PpvzPpv

zMpal

T GKOTELpalivo pára

RVzNe

Ne

zYRVRT

Ppv

zPpv

zMpal

Page 9: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Analýza problému – kde je zakopaný pes

Obecné problémy požadovaný výkon aktivovat do 30 s

bez doby průtahu a udržet „trvale“ reálně dosažitelný trvalý výkon do

cca 180 s s dobou průtahem energetický deficit nutno krýt

z akumulované energie po ustálení výkonu nutno „dobít“ akumulátor

Specifika ELE špatně seřízené mlýny špatný stav hořáků nerovnoměrné rozložení spal.vzduchu skokově proměnlivá výhřevnost paliva relativně malá parní akumulace

-300 0 300 600 900t[s]

9 0

9 2

9 4

9 6

9 8

1 0 0

N e[M W ]

36.0

36.5

37.0

37.5

38.0

38.5

M pal[% ]M pal

N e - správněpracující m lýn

N e - nesprávněpracující m lýn

Page 10: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Analýza problému – hodnocení šancí

Odhad potřeby akumulace: výpočtem – integrál plochy – pro 5.5 MWe je to cca 6 MWe.min

Možné zdroje akumulace:1. zásoba prášku v mlýnech (1 MWe.min, 40s)2. tlakový trakt kotle (5 MWe.min, 5s)3. tlakový trakt TG (1 MWe.min, 10s)4. jiné: vyloučeno bez investic do technologie

Snadno využitelná akumulace = 1+2, tj. cca 6 MWe.min

Předtlaková regulace – nelze využít akumulaci 2

Závěr: blok bude provozován v klasické regulaci s využitím akumulací 1+2. Velký důraz bude kladen na optimální seřízení regulací (je to „na hraně“). Při nesprávném nastavení výrobní technologie nemusí být úloha řešitelná (očekává se malá robustnost řešení).

Page 11: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Návrh způsobu řešení 1 - MIMO

Centrálně optimalizovaný návrh regulací (systémový MIMO návrh) upřednostňuje širší teorii a obecný přístup před „regulačním

citem“ výhody:

„teoreticky čistá“ dekompozice vede ke struktuře řízení celý komplex regulací „vyjde sám“ včetně potřebných vazeb

nevýhody: nelze snadno navrhnout a ladit jen část struktury (např.

palivo+vzduch) nelze navrhnout jednu strukturu pro všechny možné

kombinace automatického a manuálního řízení

Page 12: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Návrh způsobu řešení 2 – „multi-SISO“

Manuálně optimalizovaný návrh regulací (smyčka po smyčce) upřednostňuje „regulační cit“ a základní teorii výhody:

lze řešit komplikovanější úlohy za složitějších podmínek lze respektovat manuální zásahy lze navrhovat a ladit krok za krokem

nevýhody: nutno velmi citlivě dekomponovat systém, analyzovat

vzájemné vazby základní struktura řízení je navržena citem (podle

analýzy) často se sahá ke zjednodušeným a přibližným řešením

Page 13: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Návrh způsobu řešení 3 – srovnání a výběr

oba způsoby musí za shodných podmínek dát (zhruba) shodný výsledek

jde o rozdíly v metodice, nikoli v teorii či praxe vs. teorie

často je obecná analýza problému při MIMO návrhu (přístup č. 1) vodítkem pro nové přístupy (návrh struktury řízení v přístupu č. 2)

Příklad:Obvykle se reguluje na kotli tlak palivem a teplota vodou. Z obecné analýzy vyplyne silná symetrická vazba palivo+voda – tlak+teplota. Je tedy možné regulovat tlak vodou a teplotu palivem. Dynamicky je to dokonce výhodnější!

závěr: požaduje se „levné a malé“ řešení, použije se metoda č. 2 blok bude v klasickém řízení se standardními smyčkami klíčový problém: regulace tlakového traktu (viz zdroje akumulace) hlavní smyčky: palivo, voda (generace páry) a TG (odběr páry)

Page 14: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Postup řešení a podmínky úspěšnosti

sestavit linearizovaný dynamický model technologie a regulací (pouze základní smyčky: palivo, tlakový trakt, generátor)

nastavit model a regulace podle „reálu“, ověřit model

optimalizace nastavení regulací (klíčová = regulace tlaku palivem)

technologicky podmíněné podmínky vyhovujícího řešení: elektrický výkon bloku vyhovuje zadání (Kodex PS) soustava (kotel – TG) je stabilní s dostatečným tlumením odchylky hlavních technologických veličin jsou „podlimitní“

tlak za kotlem max. ±0.8 MPa teplota za výparníkem max. ±25 °C

přiměřená robustnost (změna dynamiky mletí a hoření apod.)

diskuse výsledků

Page 15: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Model technologie a základních regulací 1

ELE B3, primarni regulace, model regulace paliva a napajeni

2

1

0

zTpVYP

0

zPpv

1.7

zNe

Zad.,skut.vykonpara, voda

T lak, pal ivo,teplota

zNe

P

Ne

MpTG

TG

zNe

zPpv

Ppv

Mpv

Mpal

RegPal iva

zNe

zMpal

zTpVY P

Mpv

TpVY P

Mv n

RegNapajeni

Porucha z EHS

Mux

Mux1

Mux

Mux

Mpv

Mpal

Mv n

Ppv

TpVY P

Kotel10

Clock

Page 16: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Model technologie a základních regulací 2

2

T pVYP

1

Ppv

dMp

Sum

3xSetrv

K=1.5

T =40s

Mvn / T pVYP

3xSetrv

K=0.8

T =25s

Mvn / Mpi

3xSetrv

K=7

T =80s

Mpal / T pVYP

3xSetrv

K=1

T =80s

Mpal / Mpi

1

1200s

Aku

3

Mvn

2

Mpal

1

Mpv

model linearizovaný kolem středu regulačního rozsahu na základě provozní identifikace

univerzální blok „dynamika vyššího řádu“ (zde 3. ř. – stačí)

model teploty za výparníkem: ohřívání palivem chlazení vodou

model parních toků: generace páry ohříváním

palivem generace páry chlazením

výparníku spotřeba páry turbínou

akumulátor tlakového traktu kotle

Page 17: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Model technologie a základních regulací 3

regulace tepelného výkonu kotle palivem (zde pouze režim Normal)

zpětnovazební regulace od tlaku páry za kotlem

dopředná vazba od požadavku na výkon (zahrnuje i požadavek na PR)

využití akumulace prášku v mlýně se zajistí „vyfouknutím“ ve smyčce regulace vzduchových režimů – zde není modelováno

režim Robust – příprava na robustifikaci využitím tzv. Smithova regulátoru

1

Mpal

0.6

dv

1500s

20s+1

Sum3

Sum2Sum1

Sum

sh

zhPIDKp=10T i=50sTd=200T f=50

Reg Ppv Robust

sh

zhPIDKp=2.5T i=160sTd=125T f=20

Reg Ppv Normal

sh

zhPIDKp=0.3T i=500sTd=0T f=0

Reg Mpal Robust

Nt odhad

Normal/Robust

6Mpal/Mpv

6.23

200s+1

LAG4

1

25s+1

LAG3

1

25s+1

LAG2

6.23

120s+1

LAG1

0

1

Aut/Man

4

Mpv

3

Ppv

2

zPpv

1

zNe

Page 18: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Model technologie a základních regulací 4

regulace teploty za výparníkem množstvím napájecí vody

základní režim „teplota“: zpětnovazební regulace od teploty za

výparníkem dopředná vazba od elektrického

výkonu i paliva (způsobí „dynamicky vyvážené“ přeplnění kotle vodou při změně výkonu)

doplňkový režim „bilance“: pomalejší ZV regulace dynamická dopředná vazba od

poruchy rovnováhy průtoku média (voda/pára)

1

Mvn

1

dvNe

-K-

dvMpv

6

dvMpal

Teplota/Bi lance

Sum1

Sumsh

zhPID

Kp=0.08T i=2000sTd=100T f=20

Regulator Bi lance

sh

zhPIDKp=0.1T i=1200sTd=0T f=0

RegulatorTeploty 1

Aut/Man

4

% na t/h1

4

% na t/h

5

TpVYP

4

Mpv

3

zTpVYP

2

zMpal

1

zNe

Page 19: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Model technologie a základních regulací 5

2

MpT G

1

Ne

1/13

k2

1.1

k1sh

zhPIDKp=2T i=3sT d=0T f=0

Regulator NeMpVT RV

0.336

5s+1

Dynamika T G

2

P

1

zNe

regulace elektrického výkonu regulačními ventily turbíny

předpokládá se tzv. škrticí regulace (všechny ventily současně)

modelován vliv otevření ventilů a vliv poklesu tlaku za kotlem

dynamika generace výkonu odpovídá VT dílu turbíny

pomalejší dynamika ST+NT dílu je zanedbána

Page 20: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

PID v aditivnim provedeni (ala WDPF)

1

y

T d.s

T f.s+1

1s

Integrator

1/T i

Kp

2

sh

1

zh

Model technologie a základních regulací 6

Page 21: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Typické průběhy při aktivaci PR

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

-20

-10

0

10

20

30

t [s]

Skokova zmena vykonu B3 ELE o 5 MWe

zNe [MW]Ne [MW]

Mpv [t/h]

Mvn [t/h]

Ppv [0.1MPa]

Mpal [%]Tpvyp ["C]

odpovídají optimálně nastaveným regulacím (viz dále) a dobře seřízené výrobní technologii

průběhy po skokové změně frekvence o -180 mHz, tj. zadaného výkonu o +5 MWe

výkon se bere na úkor tlakového traktu (0-50s)

pád tlaku zastavit chlazením výparníku (0-100s)

pád teploty se zastaví palivem (vyfouknutí+mletí) a ubráním vody (100-250 s)

následuje srovnání veličin na nových rovnovážných úrovních (300-900s)

dosažené odchylky veličin: tlak: -0.5 Mpa – dobře vyhovuje teplota: -22°C – na hraně

možné komplikace: špatný stav mlýna (doba průtahu) vede k výraznému poklesu tlaku a mírnému poklesu teploty – nastavení regulací z příkladu nebude vyhovovat (málo „ostré“)

Page 22: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Uspořádání optimalizačního modelu

palivo:Kp=2.5, Ti=160svoda:Kp=0.1, Ti=1000s

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

-20

-10

0

10

20

30

t [s]

Skokova zmena vykonu B3 ELE o 5 MW e

zNe [MW ]

Ne [MW ]

Mpv [t/h]

Mvn [t/h]

Ppv [0.1MPa]

Mpal [%]

Tpvyp ["C]

Optimalizace nastavení

volbaparametrů

dyn. modelsimulace

kritériahodnocení

parametry regulací

výstupymodelu

optimální nastavení regulací

Zjednodušený linearizovaný model bloku v klasické regulaci (viz výše)

Parametry a jejich fluktuace z opakované identifikace soustavy

Teoretický výpočet stabilní oblasti v prostoru nastavení souřadnic PID regulátoru (Kp, Ti, Td)

Simulační výpočet oblasti potřebných nastavení v tomtéž prostoru

Průnik podprostoru stability řešení a požadavků na řešení dává oblast exitence možných řešení úlohy

Pro konkrétní zadání výsledky následují

Pro zvolenou variantu syntéza regulátoru běžnými metodami (např. Ziegler-Nichols)

Page 23: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Výsledky optimalizace

Neseřízená technologie, tolerance tlaku 1MPa

Neseřízená technologie, tolerance tlaku 0.8 MPa

Seřízená technologie, tolerance tlaku 1.6 MPa (nebo RR PR jen 3 MWe)

Page 24: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Diskuse dosažených výsledků klíčové smyčky: palivo, voda

při správně seřízené technologii (zejm. mletí a hoření) existuje vyhovující nastavení stávajících regulací kotle

požadavky (5 MWe, <0.8 Mpa, < 25 °C) jsou přísné vzhledem k dostupné akumulaci – regulace je málo robustní

možnosti dosažení robustního řešení:1. snížení požadavků2. seřízení technologie3. robustifikace regulací

(1) nelze (neplní požadavek), reálně kombinace (2) a (3): Smithův regulátor pro kompenzaci dlouhé doby průtahu při mletí mechanické úpravy mlýnů a vzduchového traktu

(to už je ale jiná pohádka …)

Page 25: Případová studie:  Elektrárna Ledvice

MAUP: Případová studie: Elektrárna LedviceMilan Findura, [email protected]

Shrnutí

Elektrárenský blok – technologie a způsob řízení

Analýza problému a návrh principů řešení

Ověření event. korekce řešení na modelu