REGIMURI DE FUNCTIONARE. NOTIUNEA DE MODELARE SI SIMULARE

REGIMURI DE FUNCTIONARE. NOTIUNEA DE MODELARE SI SIMULARE

Indiferent de tipul centralei termoelectrice, aceasta functioneaza conectata la Sistemul Energetic National (SEN) si Sistemul de Termoficare urbana sau industriala, asigurand cerintele de energie electrica si termica a consumatorilor, chiar si in conditii restrictive de functionare.

Centrala, in ansamblul sau, interactioneaza cu mediul inconjurator prin:

• Fluxul informational, decisional si de conducere;
• Fluxul de energie primara intrata sub forma de combustibil conventional;
• Fluxul de apa de racire si apa de adios necesara compensarii pierderilor;
• Fluxul de energie electrica furnizat sistemului electroenergetic;
• Fluxul de energie termica furnizat sistemului de termoficare;
• Fluxul de noxe solide, lichide sau gazoase evacuate;
• Fluxul de deseuri solide fosile ;
• Fluxul de materiale consumabile, de oameni si bani.

Sistemele energetice se caracterizeaza prin:

dimensiuni mari atat in ceea ce priveste numarul de componente surse si consumatori) cat si al ariei geografice ocupate;

retele de transport de energie electrica si termica de mare capacitate;

dezvoltarea interconexiunilor intre sistemele electroenergetice nationale;

functionarea neliniara a componentelor;

restrictii privind fluxurile de combustibili, noxe, resurse financiare;

componentele se manifesta dinamic prin viteze de variatie si durate de timp diferite.

REGIMURI DE FUNCTIONARE

Sistemul energetic functioneaza cu doua categorii de restrictii:

• restrictii impuse de asigurarea necesarului cantitativ si calitativ cerut;
• restrictii de functionare impuse de limitele maxime sau minime ale variabilelor.

Dupa cum sunt satisfacute sau nu restrictiile de functionare, sistemul se poate afla in urmatoarele stari caracteristice de functionare:

stare normala sigura sau regim cvasistationar de functionare, cand sunt satisfacute toate restrictiile;

stare normala nesigura sau de prealarma, cand sunt satisfacute restrictiile de functionare, dar gradul de stabilitate al sistemului este redus, astfel incat orice perturbatie conduce la pierderea stabilitatii;

stare de avarie dupa o perturbatie grava, cand restrictiile de functionare si cele impuse de consumatori nu sunt satisfacute, deci cu rezerva de stabilitate nula;

stare postavarie sau de restabilire, cand cerintele consumatorilor nu sunt indeplinite, iar frecventa si rezerva de stabilitate sunt sub limitele admise.

Orice sistem sau echipament este proiectat sa functioneze permanent si in conditii de siguranta, cu eficienta maxima continua la un regim proiectat, denumit regim nominal, parametrii corespunzatori acestui regim numindu-se parametrii nominali.

Regimul de functionare, in mod continuu si in conditii de siguranta, la care unul sau mai multi parametrii difera de cei nominali constituie regimul nenominal. In acest caz eficienta este mai redusa decat cea maxima continua corespunzatoare regimului nominal. Un caz aparte de regim nenominal este cel la care parametrii depasesc valorile nominale si in care puterea produsa poate fi mai mare decat cea maxima continua, denumit regim de suprasarcina, durata de functionare fiind limitata.

Se defineste regimul dinamic sau tranzitoriu, modificarea valorii unui parametru intr-un timp finit, astfel incat derivate acestui parametru in raport cu timpul sa aiba o valoare finita, diferita de zero. Intr-un astfel de regim, de regula, nu pot avea loc determinari experimentale.

Cauzele care conduc la aparitia regimurilor tranzitorii in functionarea centralelor electrice sunt:

1. cauze externe centralei, determinate de:
1. modificarea sarcinii electrice ceruta prin dispecerul sistemului electroenergetic;
2. modificarea sarcinii termice ceruta prin dispecerul sistemului de termoficare;
3. scurtcircuite polifazate in retea, pe barele unei sectii de bare sau toata sectia;
4. scoaterea din functiune a unui grup de putere mare din sistem;
5. scoaterea din functiune a unei linii de inalta tensiune;
6. o anumita putere nelivrata pe o linie de interconexiune;
7. instabilitate statica aperiodica dau dinamica in retea;

cauze interne centralei, precum:

8. defectarea cazanului (spargeri de tevi de economizor, vaporizator, supraincalzitor);
9. defectarea sistemului de alimentare cu combustibil sau variatia calitatii combustibilului;
10. defectarea pompelor de racire;
11. defectarea condensatorului prin spargere de tevi sau infundarea acestora, pierderea vidului;
12. vibratii nepermise la turbogenerator;
13. defectarea sistemului de ungere lagare turbogenerator;
14. defectarea ventilatoarelor de aer si gaze;
15. defectarea unui preincalzitor;
16. defectarea motorului pompei de alimentare, de condensat principal sau secundar;
17. alte defecte care necesita reducerea sarcinii grupului.

Factorii care determina capacitatea de modificare a sarcinii unei centrale sunt:

• caracteristicile turbinei si sistemului de reglare aferent;
• caracteristicile cazanului si a sistemului propriu de reglare;
• caracteristicile celorlalte sisteme principale;
• cunostintele practice si de mentenanta.

NECESITATEA MODELARII SI SIMULARII

IN STUDIUL FUNCTIONARII DINAMICE

Necesitatea cunoasterii regimurilor permanente - nominal si nenominal - si a regimurilor tranzitorii din echipamentele si sistemele centralei, ca si in sistemul energetic, decurge din cerinta ca acestea sa functioneze stabil.

Din necesitatea mentinerii stabilitatii sistemului, au fost analizate prin modelare si simulare un numar mare de defecte pentru elucidarea cauzelor, cunoscandu-se pachete de programe pentru simulare pe termen scurt (pana la 15 - 20 secunde), pe termen mediu (20 - 30 secunde) si termen lung (1 - 10 minute).

Modelarea reprezinta realitatea, in timp ce simularea reprezinta o imitare a acesteia. Modelarea si simularea sunt fundamentate matematic de existenta a doua grupuri izomorfe - originalul si modelul simulat - existand intre ele o corespondenta biunivoca.

Modelarea este o procedura a cercetarii operationale si analizei sistemelor constand in idealizarea - matematica si/sau fizica concreta - a intregului sistem sau a unor parti din acesta. Modelul este o reprezentare simplificata a unei situatii reale, prin evidentierea structurala si formala a relatiilor dintre factorii relevanti proprii situatiei reale.

In general, un model poate fi:

1. concret sau abstract - dupa gradul de corespondenta dintre procesele reale si model;
2. static sau dinamic - dupa cum nu se modifica in timp sau depinde esential de timp;
3. determinist sau probabilist - dupa cum variabilele au o valoare sigura sau probabila;
4. normativ sau descriptiv - dupa cum evalueaza cantitativ solutia sau numai o secrie calitativ .

Simularea semnifica reprezentarea unui sistem variabil in timp, prin intermediul unor modele, in scopul determinarii starii reale in orice moment a sistemului. Scopul simularii consta in rezolvarea modelului ce-l reprezinta, care poate fi probabilistica - metoda Monte Carlo, dinamica sau determinista.

Studiul proceselor ce au loc in echipamentele si sistemele centralelor termoelectrice, poate fi facut experimental sau prin simulare, figura 2.1.

Studiul experimental, direct pe original - cut and try - asigura cea mai fidela cunoastere, conducand la rezultate certe, necesitand insa experimentari si masuratori numeroase, ridicari de caracteristici si interpretarea acestora.

Atunci cand originalul nu admite experimentari directe sau acestea impun o durata de timp mare, se aplica simularea:

Ø      pe sistem;

Ø      pe model;

Ø      hibrida, functie de modul de reprezentare a sistemului original, printr-un alt sistem sau printr-un model de calcul.

Figura 1. Metode de studiu al comportarii unui sistem

Simularea analitica nu necesita mijloace de simulare materiale, ci numai de tip matematic pentru integrarea ecuatiilor matematice.

Simularea numerica - de tip soft - nu necesita nici un fel de echipament, ea constand in inlocuirea modelului original printr-un set de Ecuatii algebrice care formeaza modelul de simulare.

Simularea hibrida - tinde mai mult spre conducerea si urmarirea proceselor din instalatii.

Pentru a include un nou model propriu unui fenomen, echipament sau alt sistem - intr-un model amplu de simulare dinamica trebuie satisfacute trei conditii:

1. sa aiba un impact semnificativ asupra fenomenelor ce urmeaza a fi studiate;
2. raspuns mai rapid, astfel incat impactul sa fie observat inaintea terminarii simularii ansamblului;
3. fenomenul fizic sa fie modelat dinamic.

Modelarea matematica are un rol primordial in studiul regimurilor nenominale sau tranzitorii, ca si in alte procese de decizie. La modelele neliniare extinse, este esentiala reducerea la minimum a timpului de calcul pentru rezolvarea modelului procesului.

MODELAREA SI SIMULAREA APLICATE IN CONDUCEREA CENTRALELOR ELECTRICE

Modelarea constituie o reprezentare a unei situatii reale. Ea reprezinta tehnica fundamentala a cercetarii operationale deoarece, prin reprezentarea situatiei in termini matematici, imbunatateste managementul, prin clarificarea domeniului in care se pot lua decizii si a posibilelor urmari.

Simularea constituie reprezentarea unui proces variabil in timp, prin intermediul unor modele, in scopul determinarii starii modelului, cat mai apropiata de realitate, pe perioada analizata. Simularea permite utilizarea modelului pentru a reproduce dinamica sistemului. Programarea liniara utilizeaza facilitati matematice pentru rezolvarea problemelor ce depind de un numar mare de variabile interdependente; permite gasirea unei combinatii de variabile care sa satisfaca restrictiile sistemului si atingerea obiectivelor urmarite.

Un model este reprezentarea unui sistem sau a unui proces printr-un ansamblu de ecuatii sau printr-un montaj experimental care permite simularea conditiilor de functionare si care conduce la stabilirea legilor de estimare a performantelor. In cazurile cele mai dificile, aceste legi nu sunt decat corelatii empirice intre marimi de iesire si parametri de intrare.

o       Tipuri de modele

Modele matematice - analizeaza procesul printr-un ansamblu de ecuatii care rezulta din legile care descriu efectele mecanice, termice, fizico-chimice, cuplate in procesele modelate, in anumite cazuri ecuatiile rezumandu-se la relatii empirice.

Modelele matematice exprima in mod curent:

bilanturi de materie, cantitate de miscare, energie, exergie;

cuplari intre fenomenele de transfer, reactii chimice si transformare de energie.

Analiza regimurilor tranzitorii prin metodele dinamicii sistemelor se bazeaza pe legile cinetice aferente avansarii reactiilor chimice, la transferurile termice si la transferurile de masa. Modelul este cu atat mai fin cu cat are in vedere sistemul ca un ansamblu de parti elementare organizate in retea asupra careia se aplica un ansamblu de ecuatii diferentiale sau cu derivate partiale, la care este necesara precizarea riguroasa a conditiilor initiale pentru regimurile tranzitorii si a conditiilor la limita. Utilizarea modelelor matematice s-a dezvoltat considerabil odata cu expansiunea informaticii. Limitarea metodei provine din dificultatea identificarii fortelor care conduc procesul sau din convergenta metodelor iterative de calcul precum si din lipsa datelor fundamentale, de exemplu fizico-chimice.

Modele analogice - dau procesului o reprezentare intr-un domeniu stiintific vecin prin transpunerea variabilelor.

Modele omologice - inlocuiesc fluidele reale cu fluide model. Astfel, legile de similitudine totala sau partiala permit experimentarea pe macheta in conditii de temperatura sau de presiune usor de controlat. Acest tip de model, asociat experimentarii pe macheta, transpune ansamblul conditiilor de functionare reale catre un domeniu mai usor accesibil experimentarii.

Obiectivele ingineriei sistemelor si proceselor. Tehnici de modelare

Obiectivele ingineriei sistemelor si proceselor sunt multiple, fiind enumerate:

conceperea si dimensionarea sistemelor;

extrapolarea, interpolarea modelelor;

optimizarea instalatiilor existente, presupunand modelarea, simularea si identificarea parametrilor;

conducerea optimala a proceselor, utilizandu-se tehnici de automatizare si de comanda care permit controlul evolutiei in timp a procesului.

Ipotezele care stau la baza modelelor trebuie formulate cu atentie iar schematizarea sistemului sa fie realizata astfel incat sa precizeze explicit problema tratata. Utilizarea modelului in simulare constituie adesea o etapa indispensabila in vederea validarii modelului. Pe de alta parte, simularea permite realizarea unor studii de sensibilitate in raport cu diversi parametri sau variabile de stare. In aceste conditii simularea poate conduce la reducerea modelului sau la identificarea parametrilor acestuia, devenind astfel posibila optimizarea sistemului sau a procesului.

Ø      Metodologie generala

Schematizarea sistemului analizat - trebuie sa puna clar in evidenta frontierele sistemului in vederea identificarii interactiunilor lui cu mediul inconjurator. Schematizarea nu intra in detalii amanuntite, insa evidentiaza un numar de componente sau elemente de baza;

Identificarea interactiunilor ce caracterizeaza sistemul. Aceste interactiuni tin seama de transferul de substanta, energie, entalpie sau de alte forme de interactiuni care leaga variabilele de intrare si de iesire ale sistemului.

Descrierea configuratiei interne a sistemului sau procesului - este in general insotita de aparitia restrictiilor sau constrangerilor;

Transcrierea matematica a modelului - schema sistemului permite selectarea variabilelor care alcatuiesc problema. Acestea sunt legate prin ecuatii care descriu sistemul, la care se adauga ecuatiile de bilant. Daca problema este corect formulata, ansamblul matematic permite obtinerea solutiilor.

Rezolvarea si validarea rezultatelor - utilizarea metodelor analitice sau cel mai adesea numerice conduce la un rezultat caruia i se verifica riguros veridicitatea apelandu-se la sensul fizic al rezultatului.

Necesitatea din ce in ce mai acuta a utilizarii eficiente a energiei a condus la tehnici moderne de conducere a centralelor electrice. Se pot semnala in acest sens urmatoarele aspecte:

centralele electrice au devenit mai flexibile;

noile informatii tehnologice si echipamente de calcul au devenit din ce in ce mai performante si fiabile;

optimizarea ansamblului centralei din punct de vedere al eficientei este esentiala pentru reducerea costurilor si cresterea beneficiului;

integrarea si intersanjabilitatea echipamentelor de conducere, control si instrumentatie este esentiala in proiectarea sistemelor complexe;

coordonarea globala a functionarii, mentenantei si disponibilitatii blocului, centralei si ansamblului sistemului reprezinta o latura importanta a sistemului de conducere centralizat.

Conducerea centralelor electrice este organizata pe nivele ierarhice.

Nivelul inferior de conducere realizeaza pornirea, oprirea si actionari care regleaza parametrii variabili (presiune, temperatura, debit, turatie) la nivelul dorit.

Urmatorul nivel ierarhic cuprinde modul in care sunt conduse componentele centralei, prin modificarea punctelor de referinta ale variabilelor, precum incarcarea si excesul de aer.

Nivelul superior de conducere este cel managerial, al optimizarii pe scara larga a performantelor, alocarea dinamica a sarcinii si resurselor, toate cuantificate ierarhic.

Pentru regim normal de functionare, exista doua moduri distincte de operare:

modul stabilizat - impune ca buclele de control local sa stabilizeze semnalele in prezenta perturbatiilor;

modificarea sarcinii - cauzata de modificarea cererii de energie electrica, energie termica, pornirea sau oprirea fortata a diverse componente.