способ управления пуском энергоустановки

Формула изобретения

1. Способ управления пуском энергоустановки, содержащей источник тепловой энергии и контур теплоотвода с существенно нелинейным увеличением его мощности по мере роста температуры теплоносителя, протекающего по контуру, включающий измерение температуры энергоустановки, например, температуры теплоносителя на выходе из источника тепловой энергии, определение тепловой мощности источника, формирование выходного сигнала, пропорционального мощности и соответствующего задающему воздействию, причем на этапе управления пуском по мощности осуществляют ее изменение в соответствии с временной программой задающего воздействия, включающей участок стабилизации мощности на заданном уровне, на котором в установленный момент времени при известном расходе теплоносителя сравнивают измеренную температуру с первоначально заданной, формируя сигнал рассогласования, по заданной величине которого корректируют управление пуском по мощности, а в процессе разогрева энергоустановки увеличивают расход теплоносителя и ограничивают максимальное значение температуры, уменьшая тепловую мощность, отличающийся тем, что сравнение измеренной температуры с первоначально заданной осуществляют в установленный момент времени на участке установившегося режима разогрева теплоносителя до начала существенного увеличения мощности теплоотвода, например, не более 3-10% ее номинального значения, по результату сравнения выбирают заданный уровень температуры, причем в случае превышения измеренной температуры первоначально заданной (для положительного сигнала рассогласования) новый заданный уровень выбирают большим первоначального и соответствующим по величине допустимой положительной погрешности определения мощности, а в случае уменьшения измеренной температуры ниже заданной (для отрицательного сигнала рассогласования), характеризующего недогрев энергоустановки до заданной температуры, новый заданный уровень выбирают меньшим первоначального и соответствующим по величине допустимой отрицательной погрешности определения мощности, затем сравнивают измеренную температуру с дополнительно выбранной заданной температурой и при превышении измеренной температуры большего дополнительного заданного уровня уменьшают скорость увеличения мощности, а при недогреве энергоустановки до меньшего заданного уровня увеличивают скорость роста мощности путем дополнительного преобразования выходного сигнала, в процессе которого этот сигнал усиливают для уменьшения скорости и уменьшают для ее увеличения при неизменной программе задающего воздействия.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расход теплоносителя на начальном участке разогрева энергоустановки устанавливают на минимально допустимом уровне, обеспечивающем ограничение на теплофизические параметры энергоустановки, например, на величину разности температуры теплоносителя на выходе и входе источника тепловой энергии при максимальной положительной погрешности определения тепловой мощности, первое увеличение расхода теплоносителя осуществляют не позднее установленного момента времени и снова увеличивают расход теплоносителя перед моментом повторного достижения указанного ограничения на теплофизические параметры в процессе увеличения мощности.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что регистрируют начальное значение измеряемой температуры, а в установленный момент сначала уменьшают текущее значение температуры на его начальное значение и при определении сигнала рассогласования это уменьшенное значение температуры сравнивают с первоначально заданным увеличением температуры, затем по результату этого сравнения выбирают новое заданное увеличение температуры, с которым еще раз сравнивают упомянутое уменьшенное значение измеренной температуры, после чего результат второго сравнения используют для указанной коррекции скорости увеличения мощности.

Описание изобретения к патенту

Предполагаемое изобретение относится к области тепловой энергетики и касается способа управления по мощностному каналу пуском энергоустановки, имеющей существенно нелинейную характеристику контура теплоотвода, которая позволяет практически пренебречь теплоотводом на начальном этапе установившегося режима разогрева теплоносителя энергоустановки.

Описание способа дается на примере управления энергетическим пуском космической ядерной энергетической установки (КЯЭУ) термоэмиссионного типа. Известен способ управления КЯЭУ "Топаз" /1/, аналогичный предлагаемому способу и включающий управление по мощностному каналу при изменении задающего воздействия по временной пpограмме, сравнение (при известном расходе теплоносителя) измеренной температуры реактора-преобразователя (РП) с заданной температурой и коррекцию управления по мощности в зависимости от результата этого сравнения, также включающий ограничение измеряемой температуры и увеличение расхода теплоносителя.

Однако наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ, также разработанный для КЯЭУ "Топаз" /2/, включающий измерение температуры энергоустановки, например, температуры теплоносителя на выходе из источника тепловой энергии, определение тепловой мощности источника, формирование выходного сигнала, пропорционального мощности и соответствующего задающему воздействию, причем на этапе управления пуском по мощности осуществляют ее изменение в соответствии с временной программой задающего воздействия, включающей участок стабилизации мощности на заданном уровне, на котором в установленный момент времени при известном расходе теплоносителя сравнивают измеренную температуру с первоначально заданной, формируя сигнал рассогласования, по заданной величине которого корректируют управление пуском по мощности, кроме того, в процессе разогрева энергоустановки увеличивают расход теплоносителя и ограничивают максимальное значение температуры, уменьшая тепловую мощность.

При управлении энергоустановкой по мощностному каналу тепловую мощность (N) определяют по выходному сигналу (J) датчика (в случае КЯЗУ по току ионизационной камеры (ИК), который преобразуют к виду, удобному для использования в канале управления. Максимальная погрешность определения тепловой мощности таким способом ограничена известной величиной, равной N_max, которая зависит от способа градуировки датчика тепловой мощности и от используемой аппаратуры.

Для выполнения ограничений на пусковой процесс погрешность отслеживания заданной программы изменения тепловой мощности N_зд(), где текущее время, как правило, должна быть существенно меньше, чем N_max, поэтому в известном способе предусмотрена коррекция управления тепловой мощностью энергоустановки.

Коррекцию осуществляют в установленный момент времени _кор (на участке стабилизации уровня мощности) в зависимости от результата сравнения измеренного значения температуры (в КЯЭУ это температура теплоносителя (Т_вых) на выходе из РП) и заданного значения (Т_зд) этой температуры. В случае недогрева теплоносителя (отрицательный сигнал рассогласования по температуре) увеличивают задающее воздействие I_зд(). Соответствующее увеличение тепловой мощности обеспечивает требуемый уровень Т_вых к концу пускового процесса.

Если, наоборот, из-за погрешности N>0 тепловая мощность существенно превысит номинальный уровень (N = N_зд(1+N_max) где N_зд N_ном, то произойдет ускоренный разогрев энергоустановки, и температура Т_вых станет больше, чем Т_зд (положительный сигнал рассогласования), более того, Т_вых может превысить предельное значение температуры Т_max до окончания пускового процесса. Это приведет к включению температурного канала управления, который обеспечит ограничение T_вых() T_max за счет уменьшения тепловой мощности.

Недостатком известного способа является слишком поздняя (около 25 минут с момента пуска "Топаза") и довольно значительная разовая коррекция тепловой мощности на величину N_max > 0, чтобы компенсировать возможную отрицательную погрешность -N_max. Например, изменение тепловой мощности КЯЭУ "Топаз" в сравнительно короткое время сразу примерно на 20% может быть при некоторых значениях N(_кор) нежелательной с точки зрения запаса прочности энергоустановки. Кроме того, такая коррекция усложняет вид задающего воздействия (оно различается при положительном и отрицательном сигнале рассогласования).

В случае реализации N_max > 0 в известном способе тепловая мощность будет достаточно долго (около 20 минут) поддерживаться на уровне N = N_ном(1+N_max), что может быть нежелательно как для запаса прочности энергоустановки, так и для стабильности ее характеристик.

Задача, на выполнение которой направлено предполагаемое изобретение, - уменьшение отклонения мощности от заданной программы, а значит, повышение надежности энергоустановки и улучшение параметров ее пускового процесса (упрощение задающего воздействия, уменьшение продолжительности разогрева энергоустановки, уменьшение расхода теплоносителя).

Технический результат заключается в более ранней и более плавной коррекции управления по мощностному каналу в процессе стабилизации тепловой мощности на значительно более низком, чем номинальный, уровне.

Коррекция управления приведет к изменению тепловой мощности по новой программе, реализуемой при неизменном (в отличие от прототипа) задающем воздействии за счет дополнительного преобразования выходного сигнала, пропорционального мощности. Тем самым уменьшается отклонение мощности от заданной программы, то есть повышается точность управления и расширяются возможности для оптимизации пускового процесса.

Этот результат достигается тем, что при управлении пуском энергоустановки с формированием выходного сигнала пропорционального тепловой мощности программным изменением задающего воздействия по мощности, включающим участок стабилизации мощности, использованием сигнала рассогласования между измеренным на этом участке и заданным значением температуры для корректировки управления по мощности, с ограничением максимального значения температуры и увеличением расхода теплоносителя, сравнение измеренной температуры с первоначально заданной осуществляют в установленный момент времени на участке установившегося режима разогрева теплоносителя до начала существенного увеличения мощности теплоотвода, например, не более 3 10% ее номинального значения, по результату сравнения выбирают заданный уровень температуры, причем в случае превышения измеренной температурой первоначально заданной (для положительного сигнала рассогласования) новый заданный уровень выбирают большим первоначального и соответствующим по величине допустимой положительной погрешности определения мощности, а в случае уменьшения измеренной температуры ниже заданной (для отрицательного сигнала рассогласования), характеризующего недогрев энергоустановки до заданной температуры, новый заданный уровень выбирают меньшим первоначального и соответствующим по величине допустимой отрицательной погрешности определения мощности, затем сравнивают измеренную температуру с дополнительно выбранной заданной температурой и при превышении измеренной температуры большего дополнительно заданного уровня уменьшают скорость увеличения мощности, а при недогреве энергоустановки до меньшего заданного уровня увеличивают скорость роста мощности путем дополнительного преобразования выходного сигнала, в процессе которого этот сигнал усиливают для уменьшения скорости и уменьшают для ее увеличения при неизменной программе задающего воздействия.

Кроме того, расход теплоносителя на начальном участке разогрева энергоустановки устанавливают на минимально допустимом уровне, обеспечивающем ограничение на теплофизические параметры энергоустановки, например, на величину разности температуры теплоносителя на выходе и входе источника тепловой энергии при максимальной положительной погрешности определения тепловой мощности, первое увеличение расхода теплоносителя осуществляют не позднее установленного момента времени и снова увеличивают расход теплоносителя перед моментом повторного достижения указанного ограничения на теплофизические параметры в процессе увеличения мощности.

Кроме того, регистрируют начальное значение измеряемой температуры, далее в установленный момент времени сначала уменьшают текущее значение температуры на его начальное значение, а при определении сигнала рассогласования это уменьшенное значение температуры сравнивают с первоначально заданным увеличением температуры, затем по результату этого сравнения выбирают новое заданное увеличение температуры, с которым еще раз сравнивают упомянутое уменьшенное значение измеренной температуры, после чего результат второго сравнения используют для указанной коррекции скорости увеличения мощности.

На фиг. 1 показано изменение тепловой мощности КЯЭУ термоэмиссионного типа по программе аналогичной прототипу (КЯЭУ "Топаз"): штрихпунктирной линией показано изменение мощности в случае , а линией штрих с двумя пунктирами для , где базовые величины t_кор и _T,max- моменты коррекций управления по мощности и включения канала управления по температуре в прототипе соответственно. Здесь же показано изменение мощности в предлагаемом способе: сплошная линия для варианта с максимальной положительной погрешностью



штриховая линия для варианта с отрицательной погрешностью



где K_доп,i; i 1; 2 коэффициенты дополнительного преобразования выходного сигнала в виде



где _уст установленный момент времени для коррекции управления;

К_доп,0 1; К_доп,1 > 1; К_доп,2 < 1; К_N J_зд/N_зд.

Кроме того, на фиг. 1 показано изменение расхода теплоносителя в прототипе (штрихпунктирная линия и в предлагаемом способе (сплошная линия , где базовое значение).

Фиг. 2 иллюстрирует условия коррекции управления по мощности в предлагаемом способе. На левой стороне фигуры отмечены ряд характерных уровней, которые из-за погрешности N могут реализоваться на этапе стабилизации мощности перед выполнением коррекции управления: на правой стороне отмечены характерные уровни измеряемой температуры T_вых в момент _уст, т. е. T_вых(_уст), соответствующие указанным слева уровням мощности. Дополнительное преобразование выходного сигнала (т. е. коррекция управления) осуществляется либо при Т_вых>T_г,1, тогда принимается К_доп,1 > 1. либо при Т_вых<Т, тогда принимается К_доп,2 < 1. Диапазоны и , где I и II означают max и min соответственно, характеризуют области (T_i) погрешности определения установленных (граничных) уровней Т_г,1 и Т_г,2 соответственно. Предельные отклонения уровня стабилизации мощности отмечены как N^I_зд,о = N_зд,о(1+N_max) и где N_зд,0 заданное значение при _уст; остальные обозначения уровней мощности соответствуют обозначениям уровней температуры T_вых(_уст)..

Пример осуществления способа.

До пуска энергоустановки градуируют выходной сигнал датчика по тепловой мощности (для КЯЭУ градуируют ток ИК по мощности РП) с погрешностью N N_max, определяют погрешность измерения температуры, расхода теплоносителя и т. п. Кроме того, определяют погрешность расчета пускового процесса и изучают особенности динамики этого процесса, чтобы использовать их для уменьшения этой погрешности.

В предлагаемом способе одной из особенностей является наличие установившегося режима разогрева теплоносителя при стабилизируемом уровне тепловой мощности источника энергии (РП) и пренебрежимо малой мощности теплоотвода, например, малом теплоотводе с поверхности холодильника-излучателя (ХИЗ) (особенно при использовании тепловых труб) на начальном этапе его разогрева в космосе. (В двухконтурных энергоустановках малый теплоотвод от первого контура может быть обеспечен за счет отсутствия прикачки теплоносителя по второму контуру). Такой режим разогрева позволяет получить необходимую точность определения зависимости температуры энергоустановки, в частности, температуру теплоносителя T_вых(), от ее тепловой мощности.

Затем выбирают и вводят в систему управления программу изменения задающего воздействия I_зд(), программу изменения расхода теплоносителя, а также величины установок:

_уст, T_зд, T_max, _г,1 и _г,2,

где



(по пункту 1 формулы изобретения); (по пункту 3 формулы изобретения); i 1,2.

Установленные значения температуры Т_г,1 и Т_г,2 задают границы (см. фиг. 2), за пределами которых (выше, чем Т_г,1 и ниже, чем Т_г,2) должна проводиться коррекция управления пуском по мощности. Начальная прокачка теплоносителя осуществляется с минимально допустимым расходом, обеспечивающим выполнение ограничений на теплофизические параметры энергоустановки, например на величину разности температуры теплоносителя на выходе и входе источника энергии. Ограничение достигается во время стабилизации максимального уровня мощности

N() = N_зд,о(1+N_max)

Во время пуска источника энергии определяют тепловую мощность, формируют выходной сигнал датчика мощности (в КЯЭУ это I() и с помощью мощностного канала управления поддерживают равенство I() и I_зд().. Тепловую мощность сначала стабилизируют на уровне, существенно меньшем номинального, например, при (0,2^oC0,3)N_ном (или J_зд,0= (0,2^oC0,3)J_зд,ном). Величину J_зд,0 выбирают из условия выполнения ограничений на изменение теплофизических параметров энергоустановки, например, на скорость увеличения ее температуры, даже в случае реализации N_max и выхода на этот уровень с минимально допустимым периодом. Тем самым в алгоритм управления закладываются элементы его оптимизации. Кроме того, выбор J_зд,0 обеспечивает достижение указанного ограничения не раньше установленного момента _уст, в который проводится анализ разогрева теплоносителя и принимается решение о коррекции дальнейшего изменения тепловой мощности. Незначительный теплоотвод при разогреве до момента _уст позволяет получить предельно допустимую скорость разогрева энергоустановки при довольно низком уровне тепловой мощности. В этих же условиях погрешность определения мощности теплоотвода не превысит 0,3 - 1,0% номинального значения мощности.

В момент времени _уст сравнивают измеренное и заданное значение температуры и получают сигнал рассогласования T_рас (в КЯЭУ "Топаз" T_рас= (T_вых(_уст)-T_зд). В зависимости от знака сигнала рассогласования выбирают температурную установку для следующего сравнения: при положительном сигнале выбирают _г,1, которая соответствует положительной допустимой погрешности определения мощности (N_г,1 = N_зд,о(1+N_г,1)), при отрицательном сигнале выбирают _г,2, которая соответствует отрицательной допустимой погрешности определения мощности (N_г,2 = N_зд,о(1-N_г,2)), где N_г,1 и N_г,2 допустимые значения погрешности.

С выбранной установкой _г,i = T_г,i дополнительно сравнивают измеренную температуру (T_вых()) и при T_вых() > T_г,1 уменьшают скорость дальнейшего увеличения мощности, а при T_вых() > T_г,2- увеличивают эту скорость, то есть изменяют тепловую мощность по новой программе. Эту новую программу получают при неизменной программе задающего воздействия I_зд() за счет дополнительного преобразования выходного сигнала I(), который увеличивают при положительном и уменьшают при отрицательном сигнале рассогласования, например, I()K_доп,i, где К_доп,1 > 1, а К_доп,2 < 1 (см. фиг. 1). причем N_max, где N_к конечное значение программы N(). В результате одно и тоже значение I() = I_зд() будет получено пари меньшем (К_доп,1 > 1 или большем (К_доп,2 < 1) значении тепловой мощности N(), что уменьшает отличие новой программы от заданной программы. В качестве условия перехода к новой программе можно использовать совпадение знаков разности (T_вых() - T_г,i) и сигнала рассогласования T_рас, либо появление положительного сигнала при сравнении абсолютных величин .

Не позднее начала изменения тепловой мощности по новой программе осуществляют первое увеличение расхода теплоносителя, обеспечивая ограничение величин теплофизических параметров. Однако по мере увеличения тепловой мощности ограничение вновь может быть достигнуто и тогда перед этим моментом снова увеличивают расход теплоносителя (см. фиг. 1).

Вследствие того, что момент _уст относится к начальному этапу разогрева энергоустановки, зависимость величины T_вых(_уст) от начальной температуры Т(0) может оказать заметное влияние на погрешность определения T_вых(_уст), а значит, и на погрешность T_рас и (T_вых(_уст)-T_г,i). Одним из путей уменьшения этих погрешностей может быть выбор значений Т_зд и Т_г,i для конкретного допустимого диапазона изменения Т(0), т. е. Т_зд=Т_зд(Т(0)) и Т_г,i= Т_г,i(Т(0)).

Еще более существенное уменьшение указанных погрешностей мощно получить, если вместо T_вых(_уст) использовать увеличение этой температуры T_вых(_уст) = T_вых(_уст)-T(0).. Для этого регистрируют начальное значение температуры, а в установленный момент времени уменьшают текущее значение температуры на его начальное значение, тем самым определяя увеличение температуры в процессе разогрева энергоустановки. Затем при получении сигнала рассогласования сравнивают полученное увеличение температуры с первоначально заданным увеличением (T_зд = T_зд- T(0)), то есть T_рас = T_вых(_уст)-T_зд. Соответственно на этапе дополнительного сравнения вместо Т_г,i следует использовать _г,i = T_г,i - T(0). Тогда для перехода к новой программе можно по-прежнему использовать либо равенство знаков разности (T_вых()-_г,i) и величины T_рас, либо условие .

Предлагаемая коррекция управления по мощности зависит от сравнения T_вых(_уст) и Т_г,i, поэтому точность управления зависит от погрешностей определения указанных величин. Для температуры T_вых(_уст) это погрешность ее измерения, а для Т_г,i погрешность расчетно-экспериментального определения этого уровня температуры. Кроме того, точность управления зависит от величины коррекции, то есть от выбора коэффициента (К_доп,i) дополнительного преобразования выходного сигнала датчика мощности. Как отмечалось выше, величина этого коэффициента рассчитывается в зависимости от заданных величин (N_к,max; N_к,min; N_зд,0; N_max), тогда как установки Т_г,i и допустимый диапазон их погрешностей T_i зависят также от погрешности определения теплоемкости контура теплоносителя источника тепловой энергии (C_pM) и от коэффициента чувствительности K_т = (T_вых(_уст;N_г,i)-T_вых(_уст;N_зд,о))/N_г,i, где N_г,i = (N_г,i- N_зд,о)100%/N_зд,о.. Для минимизации погрешности определения этого коэффициента и был выбран режим установившегося разогрева энергоустановки при незначительном теплоотводе.

Формулы для расчета величины К_доп,i, Т_г,i, T_i были получены в зависимости от комплекса заданных параметров (N_к,max; N_к,min; N_зд,0; N_max; К_т) из условий выполнения требований NN_max и N_к,minN_к(_к)N_к,max при любом значении температуры T_вых(_уст). Если в результате расчета будет получена величина T_i, которая окажется меньше суммарной погрешности измерения температуры и определения уровня установок Т_г,i, то предлагаемый способ коррекции управления не сможет обеспечить заданное ограничение на величину N(_к)..

При исследовании разогрева КЯЭУ типа "Топаз" со скоростью было получено К_т=2,7 К/% N_зд,0, что позволяет уменьшить начальную погрешность N_max = 15%N_зд,о до N_к= 7%N_к, если считать, что C_pM = 4%C_pM_зд, а погрешность определения Т_г,i и T_г,i не превысит 8,6 К, что вполне может быть реализовано.

Необходимый объем расчетно-экспериментальных исследований и вычислений относится к подготовительным операциям, а в процессе пуска в дополнение к прототипу проводится только выбор из двух уставок Т_г,1 и Т_г,2, по результатам сравнения с которыми либо происходит дополнительное усиление выходного сигнала с заданным коэффициентом К_доп,i, соответствующим Т_г,i, либо сохраняется первоначальное преобразование этого сигнала.

В заключение отметим, что существующая некоторая неопределенность в термических сопротивлениях подводу теплоты к теплоносителю и ее отвода от него влияет во время следования установившегося разогрева энергоустановки в основном на величину температуры тепловыделяющих элементов; температура тепловых элементов конструкции, непосредственно не контактирующих с теплоносителем (в РП это замедлитель и боковой отражатель), мало меняется к моменту _уст из-за инерционности этих элементов. Температура теплоносителя зависит от указанных неопределенностей в гораздо меньшей степени, чем тепловыделяющих элементов. Тем не менее, именно эта неопределенность вносит основной вклад в погрешность расчетно-экспериментального метода определения Т_г,i и T_i, то есть от нее и зависит возможность применения предлагаемого способа.

Ошибка в определении погрешности теплоемкости контура теплоносителя (C_pM) по сравнению с расчетным значением изменяет допустимую величину погрешности T_i на K_т(C_pM) [k]. Для уточнения оценки термических сопротивлений и C_pM могут быть предусмотрены специальные динамические испытания на стадии экспериментальной отработки энергоустановки. Заметим, что погрешность определения массы контура теплоносителя КЯЭУ может быть ограничена величиной M, а удельная теплоемкость стали, теплоносителя и ряда других конструкционных элементов известна в диапазоне температуры до 400 450 К с погрешностью 1%

Влияние изменения расхода теплоносителя на 4% G(0) на температуру T_вых(_уст) составляет всего 0,5 К, что объясняется частичной компенсацией этого влияния через входную температуру теплоносителя при изменении запаздывания в контуре теплоотвода.

Приведенный пример подтверждает применимость предложенного способа для КЯЭУ типа "Топаз". Нет оснований сомневаться в его применимости для энергоустановок других типов, если в их пусковом процессе может быть предусмотрен участок установившегося режима разогрева с незначительным теплоотводом из контура теплоносителя.