Оперативное управление потоками энергетических ресурсов в производственных сетях с учетом динамики их аккумулирования

потоками энергетических ресурсов на примере системы пароснабжения промплощадки ККЦ ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».

1. Структурная схема и особенности функционирования системы пароснабжения промплощадки ККЦ ОАО «ММК»

Укрупненная структурная схема системы пароснабжения промплощадки ККЦ ОАО «ММК» приведена на рис. 1. Система пароснабжения включает в себя: источники пара - ПЭВС-2, ЦЭС, котельная № 2, котлы ОКТ кислородных конвертеров; потребителей пара - вакууматор, электростанция ST-3, цеха ЛИЦ 6-8 и др. потребители; энергокорпус (ЭК) с пароаккумуляторами, пароперегревающую установку (1ШУ), систему перераспределения пара (СПП) между вакууматором и другими потребителями и протяженные паровые сети, обладающие собственной аккумулирующей способностью.

Проблемным вопросом пароснабжения промплощадки ККЦ является обеспечение максимальной подачи пара на электростанцию ST-3 с целью увеличения выработки электроэнергии при полном удовлетворении снабжения паром технологических потребителей.

Рис. 1. Укрупненная структурная схема системы пароснабжения промплощадки ККЦ ОАО «ММК»

Основными возмущающими факторами в рассматриваемой системе пароснабжения, влияющими на пароснабжение станции ST-3, являются вакууматор и котлы ОКГ. Так, цикличность работы вакуу- матора зависит от количества плавок стали и составляет около 15 включений в сутки, продолжительность включения 20-40 мин. При этом подача пара на вакууматор в пиковом режиме достигает 40-45 т/ч, что составляет до 30 % от общего расхода пара на входе 1ШУ (около 150 т/ч). Котлы ОКТ утилизируют тепло, образующееся при плавках в ККЦ. Во время плавки поступление пара от 1-го котла ОКТ может составлять от 150-300 т/ч. Средняя продолжительность плавки составляет 15 мин, среднее количество - 28 плавок в сутки.

Для демпфирования пиков работы вакуумато-ра и котлов ОКТ используются пароаккумуляторы энергокорпуса (ПА), а также аккумулирующие способности паровых сетей (ПАт). Заряд ПА осуществляется паром от котлов ОКТ и сопровождается повышением температуры, давления и массы воды, накопленной в ПА. При разряде ПА происходит снижение давления в ПА и вторичное вскипание воды, в результате чего уровень воды в ПА снижается.

Однако объем производства пара от ОКТ является резко переменным и аккумулирующей способности ПА может быть недостаточно для аккумулирования всего пара. В этом случае оператор осуществляется вынужденный сброс пара в атмосферу через свечи в ЭК.

Графики, иллюстрирующие динамику режимов работы системы пароснабжения площадки ККЦ, приведены на рис. 2.

форсунки. Отвод пара осуществляется через паропровод в верхней части бака. Для заполнения (опорожнения) бака водой, а также под держания уровня воды в допустимых пределах при работе аккумулятора предусмотрены подпиточные трубопроводы.

Заряд аккумулятора осуществляется входным паром с массовым расходом ОЦ?), кг/с. Поступая в воду, пар конденсируется, отдавая тепло воде и повышая ее температуру. В результате происходит увеличение температуры, давления и массы воды в аккумуляторе. При достижении температурой воды точки кипения происходит ее вскипание и в верхней части бака образуется пар. Процесс заряда аккумулятора ограничен сверху максимальным допустимым давлением (40 кгс/см2) и максимальным допустимым уровнем воды. При этом, чем больше уровень (а значит и масса) воды, тем выше заряд аккумулятора, т.е. выше накопленная в нем тепловая энергия. Из сказанного следует, что для эффективного заряда аккумулятора необходимо автоматически ограничивать давление пара до достижения максимального допустимого уровня воды в аккумуляторе.

Разряд парового аккумулятора происходит путем подачи пара с расходом G₂(t), кг/с, через разрядный паропровод. При этом вследствие снижения давления в аккумуляторе, происходит вторичное вскипание воды, в результате которого вновь образуется пар. Таким образом, разряд аккумулятора сопровождается снижением массы и уровня воды, а также температуры и давления вторичного пара. Поддержание уровня воды в аккумуляторе в допустимых пределах осуществляется путем подачи питательной воды G_n (/), кг/с.

В первом приближении в качестве базового уравнения моделирования течения пара может быть использовано уравнение состояния идеального газа Клапейрона-Менделеева [1,2]

pIp = RT, (1) где 7? = 0,411526 - удельная газовая постоянная, кДж/(кг^-К); р - давление, Па; р - плотность теплоносителя, кг/м³; Т - температура теплоносителя, °C.

На основе использования уравнения (1) запишем систему уравнения описанных выше физических процессов в ПА:

Рис. 2. Расходы пара в системе пароснабжения промплощадки ККЦ

РА^ = КТА(1>П^№', Vn{t) = VA-m^t)lp^TA(ty)-тА1«М«.

mbtV ^GiQVGW о ea (0 = отв (О?„ (О+т« W„ (0;           ^

E_A (0 = J(0 (0 - e₂ (0 - Q™ (0+ On ^dt;

0(?) = g, (?)/„,(?);

62(0 = G^ (t )i„2 (t);

Qnm^ = knFA(TA

,Qn(O = Gn(t)inQ), где PA(t), TA{t) - давление, Па, и температура, °C, среды в паровом аккумуляторе; т„ (?), У„ (?) - масса, кг, и объем, м3, пара в аккумуляторе; тив(?) -масса воды в аккумуляторе, кг; /в(?), znl(?), zn2(0, /„(?) - энтальпия, кДж/кг, воды в аккумуляторе, входящего и выходящего пара и питательной воды соответственно; /„(РД?)) - функциональная зависимость температуры насыщенного пара, °C, от его давления, Па; рв(7^(?)) — функциональная зависимость плотности воды, кг/м3, от ее температуры, °C; й(0, 02(0, 0nm(O, 0,(0 - тепловая мощность, кВт, входящего и выходящего пара, потерь в окружающую среду и подпитки соответственно; Ед (?) -тепловая энергия, накопленная в аккумуляторе, кДж; УА > еа "" объем, м3, и площадь, м2 поверхности аккумулятора; к„ - коэффициент теплопередачи от поверхности бака в окружающую среду, кДж/(кг°С); Тн (?) - температура наружного воздуха, °C.

тивного планирования пароснабжения промплощад-ки, основанной на математической модели паровой сети. С этой целью разработана математическая модель системы пароснабжения промплощадки ККЦ.

Рис. 3. Принципиальная схема парового аккумулятора

Отличительной особенностью разработанной модели является учет гидродинамики паровых потоков, связанных с аккумулирующей способностью труб и наличие пароаккумуляторов, что позволяет учитывать не только статические, но и динамические режимы пароснабжения при переменных нагрузках, а также регулирующих воздействиях от диспетчера и автоматических систем. Видеокадр моделирования режима пароснабжения рассматриваемой системы с использованием разработанной динамической модели представлен на рис. 4.

Анализ результатов моделирования режимов пароснабжения и фактических данных эксплуатации показал, что разработанная модель адекватно отражает процессы пароснабжения станции ST-3 в различных режимах работы источников и потребителей пара с достаточной для практического использования точностью.

Реализация разработанного подхода к оперативному управлению пароснабжением промплощадки ККЦ предполагает установку на каждом источнике и основных потребителях пара автоматизированных рабочих мест (АРМ) диспетчеров с экранной формой, пример которой приведен на рис. 5.

В левой части экранной формы показаны выработки пара источниками, а именно ПВЭС н.2, ЦЭС, котельной № 2 и котлами ОКТ; в правой -потребление пара вакууматором, станцией ST-3, ЛПЦ 6-8, сетевыми бойлерами и деаэраторами энергокорпуса. В центральной части расположен график изменения и прогноза ресурса пара в системе и пороговый уровень ресурса пара, поддержание которого необходимо для обеспечения требуемых параметров пара у потребителей. Ниже расположена фактические и прогнозные графики включения вакууматора и котлов ОКТ.

На основе использования программной модели в реальном времени рассчитывается ресурс пара в системе и его прогноз в зависимости от параметров и режимов источников и потребителей пара.

Программная модель использует в качестве исходных данных фактические значения параметров пара на источниках и потребителях, получаемые из существующей АСУ. Результаты расчетов по сети передаются на АРМ диспетчеров, включая диспетчера, контролирующего работу вакууматора и котлов ОКГ. В результате каждый из диспетчеров получает возможность контролировать не только текущие значения параметров, но и прогнозируемые значения, полученные с помощью модели.

В итоге алгоритм управления системой пароснабжения может быть представлен следующим образом. Диспетчер вакууматора формирует упреждающий сигнал о начале плавки, который одновременно отображается на АРМ всех указанных источников и потребителей. Также формируется упреждающий сигнал, представляющий собой прогноз включения котлов ОКГ. На основании данных сигналов с помощью динамической модели рассчитываются прогнозные значения ресурса пара в системе, позволяющие другим источникам и потреби телям пара выполнить необходимые возможные действия по изменению режимов пароснабжения с тем, чтобы не допустить снижения ресурса пара в системе ниже минимального порогового уровня, обеспечивающего максимальную выработку электроэнергии на станции ST-3.

Таким образом, реализуется распределенное оперативное управление пароснабжением, при котором каждый из элементов системы может видеть состояние системы в целом, состояние и влияние каждого элемента, в том числе свое влияние на работу системы в целом.

Заключение

Эффективное управление сложными техническими системами, например, системами пароснаб-

Ьр>|2Ду400 0,5™>-* _{Энвргокорлус}

15.5411

Ду500 0.1км

ППУ

I             32.5146   I           .„.,.....25.961  I

I#........    386.669  1>       386.668

...........................239:004     |............................. 239

33g

ХПВЭС-2н:2~

X ЦЭС РОУ-2

X ЛПЦ10 К2

ЦЭС Р0У2

Ду500 0.9 км

Ду400 0.1 км

ДуЗОО 0.5 км

Ду500 0.1 км

ПВЭС-2 нитка 2

13.06

-_.

.....310

14.1892 "103.112 289:612

11.7628 42.5401 306.8171 Вакууматор] Л ПЦ 6-8 ]

15.8417 5176774

6.86163 31.3087 306.817 12.9054 1197998 " 31039

Х1Г1.28ТЗ

ППУ

-100 О 20    40    60    80    100   120   140   160   180   200   220   240   260   280   300   320   340   360

Time (minutes)

14.1891

90.7341

238.9-

Ду500 1км]—

14.476 90.7347

___239

25 96

161121 23$

X Вакууматор [------£

Расход пара ГЦЗЭС н.2

t - текущее время;

Рис. 4. Видеокадр моделирования пароснабжения промплощадки ККЦ

tj - момент времени включения вакууматора; t4 - прогноз включения вакууматора; ^ - момент времени выключения вакууматора; — • • — • - желаемый расход пара

Рис. 5. Пример экранной формы АРМ диспетчеров пароснабжения промплощадки

жения крупных производственных предприятий, требует получения достоверной прогнозной информации о состоянии системы на основе использования динамической программной модели.

Для реализации оперативного управления системой пароснабжения промплощадки ККЦ ОАО «ММК» разработана математическая программная модель. Особенностью модели является учет гидродинамики паровых потоков, связанных с аккумулирующей способностью труб и паровых аккумуляторов, что позволяет учитывать не только статические, но и динамические режимы пароснабжения при переменных нагрузках, а также регулирующих воздействиях от диспетчера и автоматических систем. Апробация модели на базе данных диспетчерского управления показала целесообразность ее применения для целей анализа режимов и выбора оптимальных вариантов регулирования пароснабжения.

Предложенный подход к управлению паро-снабжением промплощадки ККЦ ОАО «ММК», основанный на использовании динамической программной модели, может быть использован для оперативного управления потоками энергетических ресурсов в других производственных сетях с учетом динамики их выработки, аккумулирования и потребления.