případová studie: elektrárna ledvice
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 PresentationTRANSCRIPT
Případová studie: Elektrárna Ledvice
Tematický blok předmětu MAUP
Milan Findura
OSC a.s., Staňkova 18, Brno
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
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
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
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)
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
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:
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
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
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).
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
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
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)
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
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
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
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
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
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
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
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“)
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)
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)
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 …)
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