CC BY
0
ЭЛЕКТРОНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА _И РАДИОТЕХНИКА_
ELECTRONICS, MEASURING EQUIPMENT AND RADIO ENGINEERING
УДК 656.085.253: 517
doi: 10.21685/2072-3059-2024-4-6
Метод и алгоритм прогнозирования аварийных режимов работы сложных теплоэнергетических объектов
Д. В. Артамонов1, В. М. Мыскин2, А. Д. Семенов3
1,2,3Пензенский государственный университет, Пенза, Россия 2Научно-производственная фирма «КРУГ», Пенза, Россия '[email protected], [email protected], [email protected]
Аннотация. Актуальность и цели. Актуальность данной работы обусловлена необходимостью усовершенствования низкоэффективных традиционных методов контроля аварийных ситуаций на промышленных объектах. В ходе выполнения исследования рассматривается случай возникновения электрической дуги в щеточной траверсе электрического генератора, который привел к нарушению теплового баланса и аварийному катастрофическому росту температуры, своевременно не обнаруженному существующей системой допускового контроля. Материалы и методы. По методу скользящей выборки данных экспериментального тренда роста температуры генератора была проведена оценка параметров уравнения теплового баланса, показавшая, что нарушение теплового баланса привело к возникновению катастрофы типа А1. Результаты. Было сделано предположение, что катастрофический рост температуры вызван отражением корпусом генератора части тепловой энергии внутрь этого корпуса. С учетом того, что количество энергии, излучаемое корпусом, подчиняется закону Стефана - Больцмана, получено уравнение теплового баланса, учитывающее внутреннее отражение тепловой энергии и показавшее, что теоретически возможно возникновение элементарных по Арнольду катастроф типа А1-А4. Предложен метод прогнозирования, с использованием которого время обнаружения катастрофы сокращается на 200 мин, по сравнению с временем обнаружения аварийной ситуации традиционной системой контроля. Выводы. Доказано, что процесс развития аварии в электрогенераторе обусловлен избыточным притоком тепла и наличием теплоотра-жающего экрана (корпуса генератора). Наличие такого экрана нарушает естественный процесс теплообмена, и если полагать, что количество энергии, излучаемое экраном, будет подчинятся закону Стефана - Больцмана, то в соответствии с классификацией катастроф теоретически возможно возникновение элементарных катастроф типа: A0 - несингулярная точка; A1 - локальный экстремум (устойчивый минимум или неустойчивый максимум); A2 - складка; A3 - сборка. Выполнена параметрическая идентификация нелинейного уравнения теплового баланса, проведенная по методу скользящей выборки. Максимальная ошибка расчета температуры аварийного
© Артамонов Д. В., Мыскин В. М., Семенов А. Д., 2024. Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 License / This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.
режима по этому уравнению не превышает 30 °С. С достаточной для практики точностью уравнение теплового баланса соответствует классификации элементарных катастроф Тома, что может приводить к возникновению катастрофы типа A1.
Ключевые слова: система контроля, метод прогнозирования, аварийные режимы, элементарная катастрофа, электрический генератор
Для цитирования: Артамонов Д. В., Мыскин В. М., Семенов А. Д. Метод и алгоритм прогнозирования аварийных режимов работы сложных теплоэнергетических объектов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2024. № 4. С. 70-80. doi: 10.21685/2072-3059-2024-4-6
Method and algorithm for predicting emergency operating modes of complex thermal power facilities
D.V. Artamonov1, V.M. Myskin2, A.D. Semenov3
i,2,3penza State University, Penza, Russia 2Research and production company «KRUG», Penza, Russia [email protected], [email protected], [email protected]
Abstract. Background. The relevance of this work is due to the need to improve the low-efficiency traditional methods of monitoring emergency situations at industrial facilities. In the course of the study, a case of an electric arc in the brush traverse of an electric generator is considered, which led to a violation of the thermal balance and an emergency catastrophic increase in temperature, not timely detected by the existing tolerance control system. Materials and methods. According to the method of data sliding sample on the experimental trend of generator temperature growth, an assessment of the parameters of the heat balance equation was carried out, which showed that the violation of the thermal balance led to the occurrence of a type A1 disaster. Results. It was assumed that the catastrophic increase in temperature was caused by the reflection of part of the thermal energy by the generator housing into this housing. Assuming that the amount of energy emitted by the housing obeys the Stefan-Boltzmann law, a heat balance equation was obtained taking into account the internal reflection of thermal energy, which showed that the occurrence of elementary Arnold disasters of types A1-A4 is theoretically possible. A forecasting method is proposed, using which the disaster detection time is reduced by 200 minutes, compared to the time of emergency detection by a traditional monitoring system. Conclusions. It is proven that the process of accident development in an electric generator is caused by excessive heat inflow and the presence of a heat-reflecting screen (generator housing). The presence of such screen disrupts the natural process of heat exchange and if we assume that the amount of energy emitted by the screen will obey the Stefan-Boltzmann law, then in accordance with the classification of disasters, the occurrence of elementary disasters of the type is theoretically possible: A0 -non-singular point; A1 - local extremum (stable minimum or unstable maximum); A2 -fold; A3 - assembly. Parametric identification of the nonlinear heat balance equation was performed using the sliding sample method. The maximum error in calculating the emergency mode temperature using this equation does not exceed 30 C. With sufficient accuracy for practice, the heat balance equation corresponds to the classification of elementary disasters by Thom, which can lead to the occurrence of a type A1 disaster.
Keywords: control system, forecasting method, emergency modes, elementary disaster, electric generator
For citation: Artamonov D.V., Myskin V.M., Semenov A.D. Method and algorithm for predicting emergency operating modes of complex thermal power facilities. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki = University proceedings. Volga region. Engineering sciences. 2024;(4):70-80. (In Russ.). doi: 10.21685/2072-3059-2024-4-6
Введение
Процессы нагрева тепловых объектов и установок являются динамическими и характеризуются изменением температуры как отдельных элементов, так и всей установки в целом. При этом нарушение режимов работы объекта может привести к возникновению аварийного режима, вызванного значительным повышением температуры по сравнению с ее номинальным значением, с последующим возникновением аварии, приводящей к неисправности объекта.
Для предотвращения возникновения аварий и аварийных режимов в системах управления технологическими объектами предусматривается введение систем противоаварийной защиты (ПАЗ), предназначенных для предотвращения аварийных режимов. Функциональная безопасность системы ПАЗ как электронной программируемой системы в соответствии с ГОСТ Р МЭК 615081 и ГОСТ Р МЭК 615112 определяется показателями качества выполнения ею функций безопасности, т.е. таких функций, содержанием которых является совокупность действий, направленных на снижение опасности, существующей и/или возникающей при функционировании управляемого объекта.
Как правило, в таких системах реализуется допусковый контроль, при котором при выходе контролируемого параметра за допустимые пределы включается предупредительная сигнализация с последующим аварийным отключением контролируемой установки.
Практика эксплуатации таких систем показала, что при возникновении аварийной ситуации система ПАЗ, построенная на допусковом контроле, не всегда предотвращает возникновение аварии.
1. Материалы и методы
Примером описанной ситуации является возникновение аварии в электрическом генераторе типа ТФ-60-2УЗ, предназначенном для выработки электроэнергии в продолжительном режиме работы при непосредственном соединении с паровой турбиной.
Генератор представляет собой трехфазную синхронную электрическую машину с неявнополюсным ротором.
Для отвода потерь, выделяющихся в обмотках статора и ротора, в маг-нитопроводах (в сердечнике статора и в валу ротора) предусмотрено непосредственное воздушное охлаждение обмотки ротора и сердечника статора и косвенное - обмотки статора.
Отвод тепловых потерь из воздухоохладителей осуществляется с помощью охлаждающей воды, циркулирующей через воздухоохладители под воздействием насосов.
Статор генератора, щеточная траверса и расположенный рядом с ней подшипник закрыты кожухами, которые служат одновременно для обеспечения принятой схемы вентиляции генератора и для снижения шума, издаваемого генератором.
1 ГОСТ Р МЭК 61508-2012. Функциональная безопасность систем электрических, электронных, программируемых электронных, связанных с безопасностью.
2 ГОСТ Р МЭК 61511-2011. Безопасность функциональная. Системы безопасности приборные для промышленных процессов.
Для предотвращения утечки воздуха из статора или, наоборот, подсоса воздуха и пыли из окружающей атмосферы через зазор между кожухом и валом предусмотрены уплотнения вала лабиринтного типа.
На рис. 1 показана система температурного контроля синхронного генератора типа ТФ-60-2УЗ.
Система температурного контроля генератора как объекта управления и контроля представляет собой 3-уровневую иерархическую систему. Нижний уровень включает в себя объект управления (генератор с закрытым корпусом), комплекс контрольно-измерительных приборов (точки измерения температурных параметров), а также регулировочно-запорную арматуру. Средний уровень включает в себя шкафы контроля и управления, которые включают в себя сетевое, контроллерное и вспомогательное (электромонтажное) оборудование. Верхний уровень включает сетевое и компьютерное оборудование. Исследуемая система температурного контроля генератора выполнена на базе программно-технического комплекса (ПТК) КРУГ-2000, реализующего допусковый алгоритм температурного контроля.
При контроле технологических параметров генератора должны соблюдаться следующие требования:
- периодичность измерения контролируемых параметров - 7 с;
- в нормальном режиме работы генератора должна быть обеспечена запись значений контролируемых параметров с интервалом 1 ч;
- при выходе любого контролируемого параметра за пределы допустимых значений и поступлении сигнала должна быть обеспечена автоматическая регистрация значений параметров с интервалом 1 мин;
- должен быть обеспечен вывод результатов измерений параметра и установки для осуществления визуального контроля его величины до возвращения ее в норму.
Если регистрируемые температуры превышают допустимые, то нагрузка генератора должна быть снижена до значения, при котором температуры не превышают допустимых, и при первой возможности генератор должен быть остановлен для выявления и устранения причин повышенного нагрева.
На рис. 2 представлено изменение температуры воздуха на выходе из щеточной траверсы при возникновении ее аварии, зарегистрированной системой контроля.
Для предотвращения ложных срабатываний системы противоаварий-ной защиты уставки предупредительной и аварийной сигнализации были заданы допустимые температуры на уровне в 65 и 70 °С. При таких уставках произошел «пропуск цели» и из-за ухудшения контакта в щеточной траверсе возникла электрическая дуга, нарушившая установившийся теплообмен, что привело к катастрофическому росту температуры.
2. Результаты и обсуждение
Если предположить [1], что нагреваемый объект (генератор) представляет собой однородное тело, обладает бесконечно большой теплопроводностью, то температура во всех его точках одинакова, тепловой поток в окружающую среду пропорционален разности температур 9 объекта и окружающей среды, а теплоемкость с, теплоотдача kF и подводимая мощность Р установки от температуры не зависят.
Возбудитель
Щеточная траверса
Генератор
о о д^о о
с,-
1
_Т ■ Т_
ЕЭЕЭ сий
Шкафы контроля и управления
Пульты управления (Станция оператора)
Рис. 1. Подсистема температурного контроля генератора
Рис. 2. Развитие аварии щеточной траверсы генератора
Температура окружающей среды в процессе разогрева не изменяется. С учетом принятых допущений уравнение теплового баланса примет вид
Pdt = Mcd 0+kF 0dt,
(1)
где Р - подводимая мощность объекта; М - нагреваемая масса; © - температура объекта; с - теплоемкость; к - коэффициент теплопередачи от нагреваемого тела в окружающую среду; Р - поверхность теплопередачи; t - время.
В т Мс
Вводя постоянную времени нагрева Т =-, исходное уравнение теп-
кР
лового баланса (1) можно записать в виде обыкновенного неоднородного дифференциального уравнения первого порядка
T--+0 = 0уст .
dt уст
(2)
P
где 0уст =--установившееся значение температуры объекта.
кР
Решением его является экспоненциальное уравнение
0 = 0
уст
1 -e T
+ 0(0 )
t
T
(3)
где 0(0) - начальное значение температуры перед нагревом.
При таких допущениях аварийный режим работы возникает, если температура объекта, плавно повышаясь в соответствии с уравнением (3), превысит допустимое значение из-за увеличения подводимой мощности и легко обнаруживается системой допускового контроля. Резкое (аварийное) изменение температуры в этом случае не наблюдается
Если рассматриваемый объект (генератор) имеет экран (корпус генератора), препятствующий нормальному теплообмену и отражающий часть тепловой энергии обратно в тепловой объект, то в этом случае процесс естественного теплообмена будет нарушаться и введенное допущение о том, что тепловой поток в окружающую среду пропорционален разности температур, будет некорректно.
Будем полагать что количество энергии, излучаемое экраном, будет подчиняться закону Стефана - Больцмана, в соответствии с которым энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры.
Тогда уравнение (2) можно преобразовать к виду
ё 0 0уст
ёг
-0
Т
- + Со
С т Л Т2 4 С т Л Т1 4
1100 ; 1100 ;
(4)
где С0 - постоянная; Т1 и Т2 - абсолютная температура экрана и нагреваемого тела.
Для анализа устойчивости решения (4) в соответствии с теорией катастроф уравнение (4) можно представить так:
— = а04 + Ь03 + с02 + ё0 + е.
ёг
(5)
Тогда в соответствии с классификацией катастроф, введенной В. И. Арнольдом [2], в рассматриваемом тепловом объекте, описываемом уравнением (5), теоретически возможно возникновение элементарных катастроф [3] типа: АО - несингулярная точка; А1 - локальный экстремум (устойчивый минимум или неустойчивый максимум); А2 - складка; А3 - сборка.
Для оценки параметров уравнения (5) воспользуемся экспериментальными данными, приведенными на рис. 2, обрабатывая их по методу скользящей выборки. На рис. 3 представлено изменение температуры корпуса генератора и производная изменения данной температуры.
Введем вектор искомых параметров:
x=[a Ь с d е],
матрицу данных:
A =
04 03 02 0,
04+1 03+1 02+1 0,+1
04+2 03+2 02+2 0,+2
04+3 03+3 02+3 0, +3
04+4 03+4 0?+4 0,+4
и вектор свободных членов:
B =
¿0,- ё0
'¿+1
ё 0,
¿+2
ё 0
+3
ёг
ёг
ёг
ёг
ё 0,
¿+4
ёг
Рис. 3. Изменение температуры корпуса генератора и ее производной
Порядковый номер I будем изменять в диапазоне от 1 до п - 5, где п = 511 - длина вектора изменения температуры. В результате на каждом шаге будем поучать линейное алгебраическое уравнение Ах = В , решением которого будет матрица искомых параметров.
На рис. 4 показано изменение параметров уравнения (5) системы в процессе развития аварии.
хЮ
е--0.5
100 150 200 250 300 350 400 450 Время, мин
500
Рис. 4. Изменение параметров уравнения (5) в процессе развития аварии
Анализ изменения коэффициентов позволяет судить о возможности предсказания начала возникновения аварии примерно на 200-й мин до ее обнаружения традиционными средствами контроля.
В табл. 1 приведены средние относительные значения параметров уравнения (5).
Таблица 1
Средние относительные значения параметров уравнения (5)
а Ь с d е
0,0041 -0,0482 0,2266 -0,5467 1,0000
Из табл. 1 следует, что значимыми параметрами являются параметры с, d и е. Редуцируя уравнение (5) до второго порядка и вводя новое обозначение параметров уравнения, получим
— = а02 + Ь0 + с . (6)
dt
В уравнении (6) коэффициент а характеризует отражательную способность экрана, коэффициент Ь - теплоотдачу, коэффициент с - приток энергии в объект.
Используя экспериментальные данные о изменении температуры и ее производной, приведенные на рис. 3, по методу наименьших квадратов
найдем коэффициенты уравнения а = 0,2765; Ь = -18,4961; с = 309,3489.
2
Поскольку дискриминант уравнения отрицателен и равен: Ь - 4ас = = -3,6908 • 10-5, решение уравнения выглядит так:
1
' 2а0 + Ь Л
V4ас - Ь2 ^4ас -Ь2 )
+ С, (7)
где а, Ь, с - коэффициенты рассматриваемого уравнения; 9 - температура объекта; t - время развития аварийной ситуации.
На рис. 5 показаны расчетная и экспериментальная кривые изменения температуры в момент аварии.
Заключение
Разработан метод прогнозирования возникновения и развития в сложных теплоэнергетических системах аварийных ситуаций, рассматриваемых как развивающиеся процессы на основе теории катастроф.
Доказано, что процесс развития аварии в электрогенераторе обусловлен избыточным притоком тепла и наличием теплоотражающего экрана (корпуса генератора).
Наличие такого экрана нарушает естественный процесс теплообмена, и если полагать, что количество энергии, излучаемое экраном, будет подчиняться закону Стефана - Больцмана, то в соответствии с классификацией катастроф теоретически возможно возникновение элементарных катастроф типа: А0 - несингулярная точка; А1 - локальный экстремум (устойчивый минимум или неустойчивый максимум); А2 - складка; А3 - сборка.
Рис. 5. Расчетная и экспериментальная кривые изменения температуры в момент аварии
Параметрическая идентификация нелинейного уравнения теплового баланса, проведенная по методу скользящей выборки, показала, что с достаточной для практики точностью уравнение теплового баланса соответствует уравнению (6), что может вызвать катастрофу типа А1.
Максимальная ошибка прогнозирования и расчета температуры аварийного режима по предлагаемому методу не превышает 3 °С.
Список литературы
1. Базаров И. П. Термодинамика. 5-е изд. СПб. : Лань, 2010. 384 с.
2. Арнольд В. И. Теория катастроф. 3-е изд., доп. М. : Наука : Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990. 128 с.
3. Гилмор Р. Прикладная теория катастроф : монография : в 2 кн. ; пер с англ. / под ред. Ю. П. Гупало. М. : Мир, 1984. Кн. 1. 350 с.
1.
3.
References
Bazarov I.P. Termodinamika. 5-e izd. = Thermodynamics. The 5th edition. Saint Petersburg: Lan', 2010:384. (In Russ.) 2. Arnol'd V.I. Teoriya katastrof. 3-e izd., dop. = Catastrophe theory. The 3rd edition, supplemented. Moscow: Nauka: Gl. red. fiz.-mat. lit., 1990:128. (In Russ.) Gilmor R. Prikladnaya teoriya katastrof: monografiya: v 2 kn.; per s angl. = Applied theory of catastrophes: monograph: in 2 books; translated from English. Moscow: Mir, 1984;Bk.1:350. (In Russ.)
Информация об авторах / Information about the authors
Дмитрий Владимирович Артамонов
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры автономных информационных и управляющих систем, первый проректор университета, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: [email protected]
Dmitry V. Artamonov
Doctor of engineering sciences, professor, professor of the sub-department of autonomous information and control systems, first vice-rector, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Владислав Михайлович Мыскин
аспирант, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40); ведущий специалист, Научно-производственная фирма «КРУГ» (Россия, г. Пенза, ул. Германа Титова, 1г)
E-mail: [email protected]
Vladislav M. Myskin
Postgraduate student, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia); leading specialist, Research and production company "KRUG" (1g Germana Titova street, Penza, Russia)
Анатолий Дмитриевич Семенов
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры информационно-измерительной техники и метрологии, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: [email protected]
Anatoliy D. Semenov
Doctor of engineering sciences, associate professor, professor of the sub-department of information and measurement technology and metrology, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов / The authors declare no conflicts of interests.
Поступила в редакцию / Received 02.07.2024
Поступила после рецензирования и доработки / Revised 23.09.2024 Принята к публикации / Accepted 10.10.2024
