Модель системы цифрового автоматического регулирования ПНД

СОДЕРЖАНИЕ

Введение           3

Перечень сокращений, условных обозначений, символов,

единиц и терминов         4

1. Анализ объекта регулирования       5

1.1 Уравнения сохранения массы вещества и энергии   5

1.2 Структура объекта  регулирования      6

1.3 Постановка задачи автоматизации      7

1.4 Математическое моделирование ПНД-3     8

1.5 Математическое моделирование исполнительного механизма 10

1.6 Моделирование возмущающих воздействий    10

2. Выбор датчика          11

2.1 Назначение и подбор  определенной модели датчика уровня  11

2.2 Математическое моделирование датчика     14

3. Описание СЦАР         14

1. Электронная часть АСУТ       15

3.1.1 Электрогидравлическая система регулирования   16

3.1.2 УВК СЦАР         16

3.1.3 Информационно-распределительная и контрол. система  17

3.1.4 Инструментальная  система      17

3.1.5 Управляющий вычислительный комплекс    18

3.2 Блочный щит управления       21

3.3 Унифицированный комплекс технических средств   22

3.4 Технологическое оборудование      22

4. Регулятор          23

5. Моделирование СЦАР  в программной среде LabVIEW   24

Заключение          25

Список литературы         26

ВВЕДЕНИЕ

Регенеративные подогреватели  низкого давления (ПНД) предназначены  для подогрева конденсата и питательной  воды паром, поступающим из отборов турбины. Конденсат (дренаж) греющего пара либо отводится самотеком в паровое пространство предыдущего по ходу воды подогревателя, либо подается насосом в линию основного конденсата.

Величина подогрева  воды в каждом подогревателе зависит от параметров пара нерегулируемых отборов турбины и определяется из статических расчетов. С изменением нагрузки турбины параметры и расход пара в отборах изменяется пропорционально нагрузке, что приводит к соответствующим изменениям подогрева воды в подогревателях. Таким образом, температура воды после подогревателей не регулируется.

Динамические свойства подогревателей с дренажным насосом  на сливе описываются уравнением интегрального, астатического звена. Динамические свойства подогревателей со сливом воды самотеком формально описываются уравнением инерционного звена 1-ого порядка, однако из-за больших значений постоянной времени и коэффициента передачи такие подогреватели можно приближенно описывать уравнением интегрального звена. По этой причине для регулирования воды в подогревателях применяют П-закон регулирования (ПИ-регулятор с обратной связью по положению клапана).

СЦАР уровня КГП в  корпусе ПНД-3 входит в состав программно-аппаратного  комплекса электронной части системы управления турбоустановкой АСУТ-1000-2РМ1 (ЭЧ АСУТ). СЦАР уровня КГП в корпусе ПНД-3 относится к системам нормальной эксплуатации, важным для безопасности, на которые распространяются “Общие положения обеспечения безопасности атомных станций” (опб-88/97). Классификационное обозначение системы - "3Н". СЦАР уровня КГП в корпусе ПНД-3 находится в оперативном управлении НСТЦ, НСЦТАИ и оперативном ведении НСБ.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ

АЧХ – амплитудно-частотная  характеристика;

АСУТ – автоматизированная система управления турбиной;

БРУ-32 – блок ручного  управления РК;

БРТ – блок размножения  токового сигнала;

БУЗ – блок управления задвижкой;

БЩУ – блочный щит  управления;

ВИУТ – ведущий  инженер управления турбиной;

ГПК – главный паровой  коллектор;

ИПЭВМ – инструментальная ПЭВМ;

ИРКС – информационно-распределительная  и контролирующая система;

КГП – конденсат греющего пара;

КПД – коэффициент  полезного действия;

КСН – коллектор собственных  нужд;

КУ ЦНД – кольцевые  уплотнения цилиндра низкого давления;

ЛАЧХ – логарифмическая амплитудно-частотная характеристика;

ЛФЧХ – логарифмическая  фазо-частотная характеристика;

НП – нормирующий  преобразователь;

НСТЦ – начальник  смены турбинного цеха;

НСЦТАИ – начальник  смены ЦТАИ;

ОПЭВМ – оперативная  ПЭВМ;

ОРП ПГ – основной регулятор питания ПГ;

ПВ – питательная  вода;

ПВД – подогреватель  высокого давления;

ПНД – подогреватель  низкого давления;

ПО – программное  обеспечение;

ПУИ – пульт (панель) управления и индикации;

РТЗО – релейно-токовая  защита оборудования;

СПП – сепаратор-пароперегреватель;

СРК – стопорно-регулирующий клапан;

СС – сепаратосборник;

СЦАР – система  цифрового автоматического регулирования;

ТПН – турбопитательный насос;

УВК – управляющий  вычислительный комплекс;

УКТС – унифицированный  комплекс технических средств;

ФЧХ – фазо-частотная  характеристика;

ЦТАИ – цех тепловой автоматики и измерений;

ЭГСР – электрогидравлическая  система регулирования;

ЭЧ – электронная  часть;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Анализ объекта регулирования.

1.1 Уравнения сохранения массы  вещества и энергии.

Для описания работы ПНД-3 воспользуемся  уравнениями сохранения массы вещества и энергии.

Уравнение сохранения массы вещества (пара, переходящего в состояние  конденсата) в корпусе ПНД-3 имеет  вид:

     , где                                      (1)

- расход пара на притоке  ПНД-3;

- расход конденсата на стоке  из ПНД-3;

 – площадь сечения ПНД-3;

 – функция, характеризующая зависимость уровня от времени;

- переменная времени.

Уравнение сохранения  вещества энергии в ПНД-3 имеет  вид:

     , где                    (2)

- масса жидкости (основного конденсата);

- удельная теплоемкость жидкости (основного конденсата);

- температура основного конденсата на выходе;

- температура основного конденсата  на входе;

- масса греющего пара;

- удельная теплота конденсации.

 

 

 

 

 

 

1.2 Структура объекта регулирования.

Подогреватель низкого  давления представляет собой регенеративный подогреватель поверхностного типа, то есть греющий пар не контактирует с нагреваемой жидкостью, как это имеет место в подогревателях смешивающего типа. По сути своей, ПНД-3 является металлическим баком с несколькими входами и выходами, внутри которого располагаются трубки питательной воды. В ПНД применяют латунные трубки. Медь из латуни вымывается и переносится в деаэратор и турбину. Надежность  и экономичность энергоблока при этом снижается. Этого можно избежать, применяя трубки из нержавеющей стали. Однако такой подход удорожает конструкции.

 Греющий пар поступает  из цилиндра низкого давления  турбины на вход бака. С выхода стекает конденсат в дренаж. Трубки внутри ПНД-3 образуют поверхность теплообмена.

Подогреватели поверхностного типа бывают с охладителями перегретого  пара и без него. При отсутствии охладителя перегретого пара поток  из отбора конденсируется на всех поверхностях теплообмена и температура воды на выходе их подогревателя всегда на 3-5 ˚C ниже температуры насыщения конденсирующегося пара. В подогревателях с охладителем перегретого пара после подогрева в части подогревателя, обогреваемой конденсирующимся паром, поток воды проходит еще через поверхности, к которым подведен перегретый пар. Поэтому здесь недогрев до температуры насыщения пара отбора оказывается ниже. Однако так как расход пара здесь относительно невелик (по сравнению с расходом питательной воды), температура воды после поверхностных подогревателей обычно остается ниже .

 

 

 

 

1.3 Постановка задачи  автоматизации.

Регулирование уровня конденсата греющего пара в корпусе ПНД-3 сводится к поддержанию материального баланса между отводом конденсата и подачей греющего пара из отводов турбины. Единственной регулируемой величиной в подогревателях, характеризующей этот баланс,  является уровень КГП L.

К стабилизации уровня предъявляются повышенные требования по обоснованным причинам. При повышении уровня затапливается поверхность теплообмена, что ухудшает конденсацию пара. Кроме того, большой запас конденсата пара в подогревателях нежелателен, потому что при аварийной разгрузке турбогенератора давление в отборах резко понижается, что приводит к вскипанию конденсата и возможному попаданию его через паропроводы в турбину (для этого предусмотрены обратные клапаны).

Снижение уровня конденсата нежелательно  из-за возможного «проскока» пара либо в нижестоящий (по давлению) подогреватель, что снижает КПД цикла, либо в дренажный насос, что вызывает кавитацию насоса.

Для ПНД-3, установленном на ВдАЭС  с реакторной установкой ВВЭР-1000, номинальный  уровень составляет 565 мм. Заданное значение точности определяется ±50 мм.

Возмущающими воздействиями на уровень воды являются:

a). Изменение расхода пара.

b). Изменение расхода основного конденсата.

c). Изменение температуры пара.

d). Изменение температуры основного конденсата.

Исполнительным механизмом в системе управления является запорный клапан, включенный в систему на сливе после ПНД-3. Открывая и закрывая запорный клапан, можно увеличивать и уменьшать отток КГП из корпуса ПНД-3 и, тем самым, регулировать уровень КГП. Запорный клапан комплектуется электродвигателем, выполняющим открытие и закрытие клапана. Электродвигатель клапана получает управляющие импульсы от регулятора. Регулятор принимает решения о выработки того или иного воздействия, исходя из ошибки регулирования. Ошибку регулирования составляет разница уставки и значения уровня, снимаемого датчиком уровня.

 

1.4 Математическое моделирование  ПНД-3.

Математическое описание объекта  получим, воспользовавшись уравнением массы вещества  (1):

     .

Определим - расход пара на притоке ПНД-3 и - расход конденсата на стоке из ПНД-3:

     ;                                                               (3)

     , где                                              (4)

- напор на притоке перед клапаном, м;

- напор на стоке после клапана, м;

- коэффициент теплоотдачи на  притоке;

- коэффициент теплоотдачи на  стоке;

- уровень КГП;

- перемещение клапана на стоке.

Подставим формулы (3) и (4) в формулу (1):

     .                                    (5)

Произведем линеаризацию уравнения (5) с помощью ряда Тейлора в окрестностях точки L⁰. Линеаризация производится таким образом, что находится производная от выражения, затем, подставив в него значение точки, находятся коэффициенты перед линеаризованными составляющими в уравнении. Итак, линеаризованное уравнение состояния определяется следующим образом:

     .                                                       (6)

Коэффициенты в этом уравнении определяются по формулам:

     и ,                       (7)

где , , , - установившиеся значения, которые должны удовлетворять уравнению равновесного режима:

     .                                      (8)

Примем для определенности, что  м, мм/с, мм/с, , м, м, м². Подставим эти значения в формулу (7):

     ;

     ;

     .                                               (9)

Преобразуем уравнение (9) в уравнение  изображений по Лапласу:

     .                                         (10)

Из уравнения (10) получим передаточную функцию объекта управления с исполнительным механизмом:

     ;

     .                                           (11)

Мы получили передаточную функцию ПНД-3 с задвижкой, теперь же выделим объект отдельно без исполнительного  механизма.

Так как объект представляет собой  бак со свободным сливом (если рассматривать  ПНД-3 без задвижки – исполнительного  механизма), то его передаточная функция определяется, как:

     ,                                                                        (12)

где K – коэффициент, выражающий отношение площади сечения выходной трубки к площади сечения бака ПНД-3. Площадь сечения бака ПНД-3 F=1 м². Площадь сечения выходной трубки F_тр=0,0113 м². Отсюда следует, что коэффициент К=0,0113. Значит, передаточная функция объекта выглядит так: