Автоматизированные системы управления тепловых электростанций. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
М. В. ГЛАЗЫРИН
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2022
УДК 621.311.22-52(075.8) Г 525
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор В. Д. Юркевич канд. техн. наук, доцент В. М. Кавешников
Работа подготовлена на кафедре электропривода и автоматизации промышленных установок для магистрантов направления 27.04.04 – Управление в технических системах
Глазырин М. В.
Г 525 Автоматизированные системы управления тепловых электростанций : учебное пособие / М. В. Глазырин. – Новосибирск :
Изд-во НГТУ, 2022. – 79 с. ISBN 978-5-7782-4682-9
Излагаются основы функционирования автоматизированных систем управления (АСУ) технологическим процессом (ТП) на тепловых электрических станциях. Обозначены цели функционирования верхнего общестанционного и блочного уровня АСУ ТП. Поясняются основные принципы управления тепломеханическим оборудованием энергоблоков, порядок взаимодействия функциональных групп тепломеханического оборудования в рабочих и аварийных режимах. Рассматриваются особенности АСУ ТП энергоблока, выполненной на базе современных программно-технических средств. Отдельное внимание уделено организационным вопросам эксплуатации АСУ ТП тепловых электростанций.
Предназначено для магистрантов направления 27.04.04 – Управление в технических системах
|
УДК 621.311.22-52(075.8) |
ISBN 978-5-7782-4682-9 |
© Глазырин М. В., 2022 |
|
© Новосибирский государственный |
|
технический университет, 2022 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение................................................................................................................... |
5 |
1. СТРУКТУРА И ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ВЕРХНЕГО УРОВНЯ |
|
АСУ ТП ТЭС ....................................................................................................... |
8 |
2. ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ АСУ ТП ЭНЕРГОБЛОКА ТЭС............................ |
12 |
2.1. Функции подсистем технологических защит энергоблока................... |
13 |
2.2. Функции АСУ ТП энергоблока, не имеющей информационно- |
|
вычислительного управляющего комплекса........................................... |
32 |
2.2.1. Информационные функции........................................................... |
32 |
2.2.2. Управляющие функции.................................................................. |
33 |
2.2.3. Оптимизация основных параметров ТП энергоблока................. |
35 |
2.3. Функции АСУ ТП энергоблока, содержащей информационно- |
|
вычислительный управляющий комплекс.............................................. |
36 |
2.4. Отличительные особенности АСУ ТП энергоблока АЭС..................... |
40 |
3. АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ ОСНОВА МАТЕМАТИЧЕСКОГО |
|
И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АСУ ТП ЭНЕРГОБЛОКА............. |
42 |
3.1. Разделение оборудования на группы по функциональному |
|
признаку..................................................................................................... |
42 |
3.2. Автоматизация пусковых операций энергоблока................................... |
43 |
4. ОПИСАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ АСУ ТП |
|
ЭНЕРГОБЛОКА ТЭС....................................................................................... |
48 |
4.1. Щиты управления...................................................................................... |
48 |
4.2. Устройства логического управления....................................................... |
51 |
4.3. Автоматические системы регулирования для управления |
|
мощностью энергоблока........................................................................... |
52 |
4.4. Подсистема технологических защит и защитных блокировок............. |
56 |
3 |
|
4.4.1. Варианты выполнения подсистем ТЗ и ЗБ относительно |
|
других подсистем АСУ ТП............................................................ |
58 |
4.4.2. Связь подсистем ТЗ и ЗБ с датчиками.......................................... |
60 |
4.5. Техническое обеспечение микропроцессорной АСУ ТП...................... |
60 |
5. РЕАЛИЗАЦИЯ АСУ ТП НА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ |
|
СРЕДСТВАХ..................................................................................................... |
62 |
5.1. Архитектурный подход при реализации распределенных АСУ ТП....... |
65 |
5.2. Варианты топологии локальных вычислительных сетей...................... |
66 |
5.3. Эталонная модель взаимодействия открытых систем........................... |
68 |
5.4. Наиболее распространенные стандарты локальных |
|
вычислительных сетей.............................................................................. |
69 |
6. ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ АСУ ТЭС............................................ |
72 |
Библиографический список.................................................................................. |
76 |
Приложение. Примерный перечень функциональных групп режимной |
|
автоматики для крупного энергоблока ТЭС................................ |
78 |
4
ВВЕДЕНИЕ
Важным качественным этапом развития электроэнергетики стал переход в середине прошлого века на блочную компоновку энергооборудования.
Вследствие увеличения единичных мощностей энергоблоков (до 800…1200 МВт) [13] и связанного с этим роста сложности управления и масштабов возможных потерь решающее значение для успешного функционирования энергоблока приобрела автоматизация контроля и управления. С увеличением мощностей блоков увеличивается и количество одновременно получаемой информации, на основе которой требуется принимать решения по управлению технологическим процессом (ТП). При этом человек-оператор постепенно выводится из контуров управления и в нормальных условиях на него возлагаются только функции интеллектуального контроля за работой системы и принятия решений в самых сложных и непредвиденных ситуациях.
Переход на блочную компоновку энергооборудования привел к существенному возрастанию количества одновременно контролируемых параметров (до 2000…3000); усложнились формы отчетности перед вышестоящими центрами управления, повысились роль и требования к надежности. Появилась необходимость коренным образом изменить управление на основе единства ТП в энергоблоках. Используя комплекс современных технических средств со стандартными параметрами информационных входов и выходов (программно-техни- ческие комплексы, датчики с измерительными преобразователями, регуляторы), удалось освободить оперативный персонал от многочисленных монотонных операций по контролю и регулированию, сосредоточив его внимание на решении главных задач управления.
Обычно главная задача управления ТП формулируется как соблюдение технологического регламента, определяющего допустимые
5
диапазоны изменения температур, давлений, расходов, а также соотношений реагентов и качественных показателей процесса. Кроме того,
взадачи управления входят пуски, остановы, аварийная защита, различные блокировки и оптимизация режима [16].
Современный период развития автоматизации, особенно для крупных энергоблоков, характеризуется существенным расширением объемов автоматизации и переходом к применению автоматизированных систем управления (АСУ). Это вызвано, с одной стороны, повышением требований к маневренности энергооборудования, а с другой – появлением новых технических возможностей для их выполнения, прежде всего унифицированных стандартных токовых сигналов, позволивших
всвое время начать унификацию контрольно-измерительной аппаратуры, устройств телемеханики и защит. Внедрение современных технических средств, особенно распределенных цифровых вычислительных систем, открыло новые функциональные возможности.
Основное преимущество АСУ ТП перед совокупностью автономных систем управления отдельных агрегатов обусловлено тем, что АСУ ТП позволяет управлять технологическими процессами тепловой электростанции (ТЭС) в целом, а не по частям. Важное преимущество АСУ ТП заключается в быстром и качественном выполнении операций по останову и пуску блочного оборудования из различных тепловых состояний. Кроме того, сама АСУ ТП может использоваться как инструмент для изучения технологического процесса и оборудования, например для определения математических моделей технологического объекта управления (ТОУ); вычисления значений технико-экономических пока-
зателей (количество сжигаемого топлива на 1 кВт ч). Отмеченные преимущества достигаются за счет существенного расширения состава функций АСУ ТП на крупных энергоблоках по сравнению с автономными системами управления «доблочной энергетики» [7].
На первом этапе развития АСУ ТП ТЭС внедрены и освоены тех-
нические средства, позволяющие вести уверенное управление энергоблоком одному или двум операторам во всех режимах эксплуатации.
На втором этапе сокращена оперативная загруженность персонала, связанная с выполнением однообразных действий по контролю и управлению. Эти функции переданы программно-техническому комплексу (ПТК), чтобы сосредоточить внимание персонала на главном.
На третьем этапе установлена непрерывная связь АСУ ТП теплолектростанции по каналам контроля и управления с подсистемами
6
нижнего и верхнего уровня для усиления взаимодействия электростанций, энергосистем и энергообъединений, решающих общую задачу повышения надежности и экономической эффективности энергоснабжения потребителей.
В связи с внедрением микропроцессорной техники все большее распространение получает распределенная техническая структура АСУ ТП энергоблока, состоящая из автономных подсистем, территориально распределенных по технологическим участкам объекта управления [8]. Взаимодействие подсистем осуществляется в общих целях функционирования энергоблока. Каждая локальная подсистема представляет собой однотипно выполненную централизованную структуру, ядром которой является управляющая микроЭВМ. Локальные подсистемы через свои микроЭВМ объединены в единую систему сетью передачи данных с высокой пропускной способностью. Программное обеспечение АСУ ТП связывает все элементы распределенной структуры
вединое целое, обладающее рядом достоинств:
возможностью получения высоких показателей надежности за счет расщепления АСУ ТП на семейство небольших и менее сложных подсистем и коллективного резервирования каждой из них через сеть;
применением более надежных средств микроэлектронной вычислительной техники и большой гибкостью при композиции и модернизации технического и программного обеспечения;
возможностью легкого наращивания вычислительной мощности АСУ ТП при значительно меньшей длине кабелей связи.
7
1. СТРУКТУРА И ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ВЕРХНЕГО УРОВНЯ АСУ ТП ТЭС
Подсистемы контроля, управления и расчета технико-экономи- ческих показателей вместе с вычислительным комплексом (ВК), подчиненным оператору, образуют АСУ ТП ТЭС. Организационно структура АСУ ТП ТЭС содержит три уровня управления: верхний – общестанционный, нижний – блочный и функциональные группы (ФГ) нижнего уровня управления оборудованием. Оборудование верхнего уровня сосредоточено в помещениях вокруг главного щита управления (ГЩУ) ТЭС.
Автоматизированная система управления отраслью энергетики страны ОАСУ «Энергия» охватывает все основные АСУ энергосистем. АСУ ТЭС являются нижним иерархическим уровнем по отношению
кАСУ энергосистем и одновременно верхним уровнем по отношению
ксамостоятельным АСУ ТП энергоблоков.
Общая структура АСУ ТЭС [16] получена путем декомпозиции задач АСУ ТЭС по принципу наименьших взаимосвязей на ряд функциональных подсистем, образующих самостоятельные комплексы. Состав этих подсистем приведен на рисунке, где ПЭО – плановоэкономический отдел ТЭС; ТЭП – технико-экономические показатели.
Из показанных на рисунке подсистем АСУ ТЭС получили распространение АСУ ТП энергоблоков (нижний уровень) и АСУ общестанционными технологическими процессами производства электроэнергии (верхний уровень).
Энергоблоки, участвующие в покрытии плановой нагрузки, называют работающими в базовом режиме. Наиболее сложной задачей является покрытие внеплановой нагрузки, несение которой возлагается на выделенные для работы в регулирующем режиме ТЭС и энергоблоки.
8
Уровни управления и связи между основными подсистемами АСУ ТЭС
В регулирующем режиме АСУ ТП ТЭС решает следующие задачи: 1) непрерывное поддержание соответствия производства и потребления электроэнергии при устойчивой работе электростанций
иэнергоблоков;
2)распределение переменного задания по нагрузке между отдельными энергоблоками при существующих издержках производства (расход топлива, себестоимость электроэнергии и др.);
3)участие в регулировании перетоков мощности между отдельными частями энергосистемы.
(Решение перечисленных задач в энергетике называют регулированием частоты и мощности.)
Основными функциями верхнего уровня АСУ ТЭС являются [16]:
оперативно-диспетчерские распределительные;
определение и анализ групповых (для нескольких блоков) и общестанционных технико-экономических показателей;
контроль состояния и диагностика энергооборудования. Оператор верхнего уровня АСУ ТЭС (он же дежурный инженер
станции – ДИС) находится на главном (групповом) щите управления. В комплекс оперативно-диспетчерских распределительных функций входят: оптимальное распределение активной нагрузки между
9
энергоблоками ТЭС, распределение видов и количества топлива между парогенераторами энергоблоков, выбор оптимального состава действующего оборудования.
Оптимизация распределения нагрузки между энергоблоками может быть реализована либо в виде рекомендаций оперативному персоналу, либо в виде автоматических воздействий на системы управления мощностью энергоблоков. Эта функция реализуется на основе текущей информации о состоянии технологического оборудования. Эффективность систем оптимального распределения нагрузок оценивается значением примерно 0,3…0,5 % экономии топлива [13].
Распределение видов топлива между парогенераторами, т. е. определение количества различного топлива, сжигаемого в данный момент на каждом из энергоблоков, необходимо для достижения высокой экономичности ТЭС.
Выбор оптимального состава работающего энергооборудования
ТЭС связан с состоянием оборудования энергосистемы в целом и поэтому, как правило, должен выполняться на более высоком, чем АСУ ТЭС, иерархическом уровне. Только в отдельных случаях на электростанциях с большим количеством энергооборудования допускается решать частные вопросы состава работающего оборудования в соответствии с заданным графиком нагрузки. При реализации этой функции непременно учитываются повышенная вероятность отказа в период пуска и останова, их стоимость, понижение надежности снабжения электроэнергией, а также фактическое состояние оборудования.
Перечисленные оперативно-диспетчерские распределительные функции реализуются на основе известных энергетических характеристик и текущей информации о состоянии оборудования и параметрах технологического процесса.
Для реализации задач верхнего уровня АСУ ТЭС применяют вычислительные комплексы (ВК), требования к надежности функционирования которых менее жестки по сравнению с предъявляемыми к ВК систем нижнего уровня (АСУ ТП энергоблоков и общестанционных технологических объектов). Поэтому резервирование аппаратуры верхнего уровня АСУ ТЭС при выходе ее из строя обычно не предусматривается. Ввод информации в этот ВК, а также предоставление информации оперативному и неоперативному персоналу производится так же, как и в АСУ ТП энергоблоками.
10