IDENTIFIKACE REGULOVANÉ SOUSTAVY APLIKACE PRO PARNÍ KOTEL

Transkript

1 IDENTIFIKACE REGULOVANÉ SOUSTAVY APLIKACE PRO PARNÍ KOTEL Ing. Zeněk Němec, CSc. VUT v Brně, Fakulta trojního inženýrtví, Útav automatizace a informatiky. Úvo, vymezení problematiky Přípěvek ouvií řešením automatizace provozu palovny pro pevný komunální opa. Náplň řešení je popána v [], realizované experimentální vývojové práce e konaly ve palovně SAKO Brno, a.. Doti velká čát problémů v provozu palovny e týká tabilizace provozu palovenkého kotle, čímž rozumíme hlavně uržování kontantní oávky páry z kotle o itribuční ítě. Příčinou nerovnoměrné výroby páry je velmi různoroé ložení palovaného opau a jeho značně proměnlivá výhřevnot. Snaha o tabilní provoz též ouvií potřebou co nejnižší proukce školivých palin. Kromě uveené nepravielnoti ve vlatním palovacím proceu na roštu kotle může být tabilita provozu negativně ovlivněna i neokonalým provozem ouviejících technologických uzlů. Doti velký vliv na provoz má právné řízení napájecí voy, tj. regulace výšky hlainy voy v bubnu kotle. Překláaný článek uváí poznatky z řešení regulace napájecí voy palovenkého kotle, ale výleky jou obecně použitelné i pro jiné parní kotle. Rozílnot je v tom, že u palovenkých kotlů jou změny tepelného výkonu relativně velké a tuíž nároky na kvalitu regulace jou vyšší. avní pozornot je ze věnována první fázi návrhu regulace, tj. popiu vlatnotí regulované outavy. Ponětem k porobnému rozboru je nepříznivé chování ané regulované outavy, která má vlatnoti outavy neminimální fází. To počívá v tom, že při změně vtupní veličiny e výtup outavy změní zpočátku na opačnou tranu a teprve pozěji e utálí na očekávané polaritě a honotě. Při ientifikaci byly zpracovány čaové průběhy provozních veličin pomocí programového vybavení Matlab a k vlatnímu vyhonocování bylo použito prouktu Sytem Ientification Toolbox. 2. Zíkání at pro ientifikaci Ke kvalifikovanému návrhu regulace je nezbytné znát matematický popi tatických a hlavně pak ynamických vlatnotí outavy, která e má regulovat. K tomu účelu je nutné opovíající technologickou čát porobit tzv. ientifikaci, tj. změřit vtupní a výtupní veličiny outavy a náleně vyhonotit záviloti mezi nimi. Charakter provozu palovny neumožňuje použít záklaní jenouché metoy ientifikace, např. měřením přechoových nebo frekvenčních charakteritik. Proto muely být aplikovány tatitické metoy, popané např. v [2], které umožňují běr potřebných at bez narušení zkoumaného provozu. Měření lze tey realizovat za normálního provozu a bez nutnoti rozpojení regulačního obvou, ale je žáoucí aby e během měření vykytovaly nějaké změny vtupních a výtupních veličin outavy (při relativně utáleném chou je ientifikace nepřená). Data pro ientifikaci bylo možno zíkat vojím způobem. Zpočátku byly využívány ata z exitujícího monitorovacího ytému palovny, ve kterém jou k ipozici úaje o hlavních provozních veličinách. Velkou překážkou je, že tato ata jou pokytována jen v čaových intervalech po minutě, což je pro účely řízení napájecí voy příliš hrubé čaové rozlišení. Proto bylo pozěji ukutečněno peciální měření intervalem záznamu po 2

2 ekunách. Celá oba měření o élce ai 6,6 hoin obahuje téměř 2000 intervalů, což je i pro tatitické vyhonocení otačující. Měření outavy e ukutečnilo na kotli K3 a byly nímány 4 veličiny, které těně ouviejí regulací hlainy a jejich tručný popi je uveen v tabulce Tab.. Tab.. Měřené veličiny, použité pro ientifikaci regulované outavy Označení Měřená veličina Rozah Vztah k regulaci hlainy zkratkou (pro 0 až 00%) Poznámka aina voy v bubnu kotle -25 cm až Regulovaná veličina +25 cm Žáaná honota je ve třeu rozahu Přítok napájecí voy Q Akční veličina (nařazené myčky) NV 0 až 63 t/ho Přítok o bubnu kotle Parní výkon Pa 0 až 63 t/ho Nepřímá (zpožěná) poruchová veličina Výtupní množtví páry z bubnu kotle Výtup regulátoru na ervo U Akční vel. z pořízené myčky reg. voy R 0 až 00% Servoventil má inverzní charakteritiku Příkla čaových průběhů uveených veličin je na obr.. Jou z něho zřejmé vazby mezi výtupem outavy (), užitečným vtupem (Q NV ) a nežáoucím vtupem (Pa). Nutno též kontatovat, že změny napájecí voy a změny úrovně hlainy jou relativně velké, což věčí o nepříliš kvalitní regulaci, která byla v obě záznamu v činnoti. 0 % Přítok napájecí voy 50 % pro Q NV aina voy v bubnu kotle 45 50% pro 45 % pro Pa Parní výkon 70 % pro U R Výtup regulátoru na ervo 600 Začátek v 0:0 ho, ne Ča Obr.. Čaové průběhy veličin, použitých pro ientifikaci (ukázka ílčího úeku) 3. Moel regulované outavy Při návrhu moelu regulované outavy je žáoucí nejprve vycházet z celkového zapojení regulačního obvou viz obr.2, protože z něho vyplývají ignálové toky, význam vtupů, výtupů, at. Moel regulované outavy může mít několik variant, ale zúžení výběru natává už tím jaké veličiny outavy jou reálně měřitelné (ve chématech jou tečkovaně ohraničené). Např. v uvažovaném by bylo ieální měřit tepelný výkon ohniště, protože ten je z fyzikálního hleika prvotním vtupem celé outavy výroby páry.

3 Zpětná vazba nařazené myčky Regulovaná veličina aina voy = výtup outavy Žáaná hlaina Trvale 50 % Regulátor hlainy (PI) Žáaný průtok Regulátor průtoku (PI) U R Servoventil (proporc.) Q NV Buben kotle voou a párou a ovoem páry Zpětná vazba pořízené myčky Tepelný výkon v ohništi Čát kotle neznámými vlatnotmi Pa Pomocná větev regulace Obr.2. Celkové chéma regulace hlainy voy v bubnu kotle Obecně má uvažovaná regulovaná outava 2 vtupy a výtup viz obr.3. Pro ané pomínky byly navrženy 2 alternativy moelu. Ze uveeme jen jenoušší, který pracuje jen vnějšími měřenými veličinami a neprezentuje veličiny průtoků, které mají vůj fyzikální půvo v efektu navření (zvětšení objemu bublinek páry při zvýšení teploty) a efektu ochlazení (nížení objemu bublinek při přítoku voy). Obě cety vtupů na výtup pře ílčí outavy označíme jako přenoy G S () a G S2 (). Napájecí voa Q NV Soutava G S ()= B()/A() Objem voy v traktu, přepočítaný na hlainu aina voy Výtupní pára Pa Soutava 2 G S2 ()= B2()/A() Objem páry v traktu, přepočítaný na hlainu Obr.3. Schéma moelu regulované outavy 4. Výleky ientifikace K ientifikaci byla z protřeí Matlab použita natavba Sytem Ientification Toolbox. Potatou je tanovení parametrů moelu tatitickými metoami, přičemž trukturu moelu i volíme. Bylo experimentováno většinou možných truktur, ale ze uveené výleky jou prezentovány moelem, který je v uveeném protřeí označován jako N43. Zkoumaná outava je vyjářena tavovým popiem třetího řáu, opravní zpožění nebylo uvažováno. Výchozí moel ientifikace je čaově ikrétní, ze vzorkovací perioou Tv =24. Výleek platí pro obecnější tvar x(t+tv) = A*x(t) + B*u(t) + K*e(t) y(t) = C*x(t) + D*u(t) + e(t), ke x(t) je vektor veličin tavových, u(t) vtupních, y(t) výtupních, e(t) chybových. Proceem ientifikace byly vyčíleny honoty prvků matic A, B a vektorů C, D, K. Pro klaický návrh regulace je ale potřeba popi ve formě oprátorových přenoů. Proto byl moel převeen (tranformován) intrukcí moel = 2c(N43, tutin ) o pojité oblati a pak intrukcí tf(moel) na přenoy ve zlomkovém tvaru, přičemž v čitateli i jmenovateli zíkáme oučin kořenových činitelů.

4 Pro aný kotel a hleané přenoy tey platí: G S( ) = Q ( ) ( ) ( ) ( ) = NV ( ) ( ) ( ) ( ) GS 2( ) = 2 ( ) ( ) ( ) = ( ) ( ) ( ) ( ) Pa Dominantní význam v G S () má nula přenou (kořen čitatele), která leží v klané polorovině komplexních číel a má velikot ra/. Přeno G S2 () má též klanou nulu. Jejich nepříznivý opa e projevuje na přechoových charakteritikách v počátcích jejich průběhů. 0 [ - ] y o v a in la H Počáteční úroveň hlainy voy v bubnu Obr.4. Přechoová charakteritika ubytému e vtupem napájecí voy (pro přeno G S ()) - Ča [] [ - ] y o v a 0 in la H Počáteční úroveň hlainy voy v bubnu Obr.5. Přechoová charakteritika ubytému e vtupem oběru páry (pro přeno G S2 ()) - Ča [] [-] Amplituová frekv. charakteritika [ o ] Fázová frekv. charakteritika Obr.6. Frekvenční charakteritiky ubytému e vtupem napájecí voy (pro přeno G S ()) Úhlová frekvence [ra/]

5 5. Regulační vlatnoti outavy Oba ubytémy vyšetřovaného kotle vykazují vlatnoti tzv. outav neminimální fází. V matematickém popiu to ouvií již uveenými klanými honotami kořenů čitatelů v jejich přenoech. Regulační vlatnoti takových ytémů jou velmi nepříznivé, protože pro rychlejší změny vtupu mají změny na výtupu obrácenou polaritu než je očekáváno a než opovíá pomalejším změnám. Pro yntézu regulace má větší význam ubytém napájecí voy, protože je přímo ve myčce regulace hlainy voy. Z čaového průběhu na obr.4 je viět, že po kokovém nárůtu napájecí voy nejprve hlaina voy poklene, za 30 e vrátí na výchozí honotu a teprve pak lineárně rote. Ve frekvenční charakteritice na obr.6 e komentované vlatnoti projevují tím, že amplitua (moul) přenou monotónně nekleá, ale ze o úhlové frekvence 0.0 ra/ naopak toupá. Při eřizování regulace to vee k rozkmitání celého regulačního obvou už při relativně malých zeíleních. Rovněž použití erivační ložky v regulátoru není možné. S uveenými vlatnotmi outavy je oažitelná jen relativně malá ynamika celé regulace, což vee k značně velkým změnám hlainy voy v bubnu kotle i při obvyklých změnách tepelného výkonu palovenkého kotle. 6. Závěr Přípěvek hrnuje výleky prací, ukutečněných pro přípravu rekontrukce regulace palovenkého kotle. Ze uveená problematika e týká hlavně ytému napájecí voy bubnu kotle. Pro kvalifikované řešení regulace je bezpomínečně nutné znát vlatnoti otyčné regulované outavy. V tomto přípaě je o značně ložitou outavu, proto byla zvolena ceta ientifikace z měřených provozních veličin. Díky vlatnotem použitého programového prouktu Sytem Ientification Toolbox fy MathWork lze použít i měřených at z normálního provozu, tj. není nutné outavu porobovat pecializovaným zkouškám, což by bylo v provozu palovny těžko ukutečnitelné. Výleky ientifikace ukazují, že aný palovenký kotel jako regulovaná outava má velmi nepříznivé vlatnoti z hleika řízení napájení bubnu voou. Doavaní regulace klaickými PID regulátory má omezené možnoti v oažení kvalitní regulace. Vhonější by bylo aplikovat některou z vyšších forem řízení, neboť ty jou chopné alepoň čátečně eliminovat zjištěné nepříznivé vlatnoti ané outavy. Výleky ientifikace jou užitečným poklaem k takovým záměrům. Literatura: [] Němec, Z.- Skála, Z.- Koňařík, M.: Návrh automatického řízení palování u palovenkého kotle. [Etapová zpráva řešení projektu GAČR 0/02/0477]. Brno, VUT v Brně FSI, [2] Nokievič, P.: Moelování a ientifikace ytémů. Montanex, Otrava, 999. Přípěvek vznikl v ouviloti řešením úkolu GAČR 0/02/ autora: nemec@uai.fme.vutbr.cz