Тюменский индустриальный

ВЕДЕРНИКОВА Ю. А.
 
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ПАРОВОГО КОТЛА В СОСТАВЕ 
ЭНЕРГОБЛОКА 
 
Ведерникова Ю. А., канд. техн. наук, доцент кафедры кибернетических 
систем, [e-mail] 
Сабитов М. А., бакалавр, [e-mail] 
г. Тюмень, Тюменский индустриальный университет 
Аннотация.
В статье проводится демонстрация возможностей модели парового котла, 
полученной в ранних работах. Использованная двухуровневая адаптация параметров 
модели по начальным характеристикам объекта повышает практическую значимость ее 
программной реализации. Так программная реализация позволяет упростить 
комплексный теплотехнический расчет и создать предпосылки для оптимизации 
динамических процессов управления паровым котлом. В то же время в значительной 
степени снижается трудоемкость решения обратной задачи – задачи идентификации для 
предупреждения возникновения аварийных ситуаций на производстве.
 
Ключевые слова:
парогазовая установка, паровой котел, математическая модель, 
вычислительный эксперимент.
 
Курс на цифровизацию выделил приоритетные технотренды, 
определяющие развитие основных отраслей экономики, в том числе и 
17 

---

топливно-энернетического комплекса, однако ключевым и имеющим 
наиболее осязаемую ценность среди этих понятий является смартнесс 
(интеллектуализация). Прежде чем внедрять цифровые технологии, 
необходимо добавить «интеллекта» производству: оптимизировать работу 
производственной системы, повысить ее эффективность.
Современный подход к решению проблемы интеллектуализации 
производственных процессов, в том числе и в теплоэнергетике, 
предусматривает применение цифровых двойников технологических 
систем 
– 
компьютерных 
образов, 
позволяющих 
управлять 
технологическим объектом, осуществлять мониторинг его рабочего 
состояния и эксплуатации путем моделирования внутренних процессов 
реальной физической системы.
Цифровой двойник представляет особую ценность для опасных 
производственных систем, поскольку: 
– 
при работе в онлайн-режиме позволяет сравнивать информацию с 
виртуальных датчиков и с датчиков реальной системы, выявляя аномалии 
и причин их возникновения; 
– 
дает возможность реализовать функцию предиктивной аналитики; 
– 
воспроизводит условия работы системы автоматического 
управления при изменении как внешних воздействий, так и свойств самого 
объекта. 
Таким образом, разработка математических моделей, на базе 
которых могут программно реализовываться цифровые двойники 
производств, чрезвычайно актуальна [1]. При этом конечным результатом 
использования информационной модели промышленного объекта является 
обеспечение безопасности и максимальная оптимизация времени/ресурсов 
на всех стадиях жизненного цикла объекта [2]. 
Целью данной работы является построение математической модели 
котла ТГЕ-435А, функционирующего в составе парогазовой установки. 
Особенностью котла является утилизация уходящих газов с дожиганием. 
Обзор научных работ, посвященных выбранной тематике, 
показывает, что моделирование парогазовой установки и ее составляющих, 
используется в основном в целях достижения локального эффекта. 
Инструментарий в подобных случаях ограничивается типовым 
теплотехническим расчетом, требующим исчерпывающей информации об 
объекте и дающим преимущественно его статическую характеристику. 
Предлагаемая методика позволяет перейти к адаптивной настройке 
неизвестных конструктивных параметров на этапе идентификации модели, 
кроме того в ходе имитации проводится адаптация коэффициентов 
теплоотдачи под изменяющиеся условия процесса. Такая двухуровневая 
коррекция значений ключевых параметров теплообмена позволяет 
избежать погрешностей, вызванных замораживанием начальных 
параметров теплообмена. 
18 

---

Расчет котлоагрегата проводится в несколько этапов, в зависимости 
от инерционности его подсистем и особенностей их описания. Схема с 
утилизацией выхлопных газов от турбины усложняет расчет тем, что 
расход топлива и избыток воздуха на ГТ значительно влияют на тепловой 
баланс в топочной камере парового котла. Состав газов в топочной камере 
при дожигание топлива в котле-утилизаторе отличается от стандартного по 
концентрации веществ, входящих в него.
Расчет газовой турбины выгоднее всего проводить, оценивая только 
процесс горения, чтобы не увеличивать вычислительную нагрузку и в то 
же время учитывать компонентный состав и объем выхлопных газов. 
Полученная математическая модель является логическим развитием 
ранней работы [3]. 
Основой модели является описание процессов теплообмена в 
топочной камере, которое в достаточной мере упрощено благодаря модели 
перемешанного потока [4]. Кроме того в модели учитываются 
стехиометрические уравнения реакции горения топлива, положения теории 
подобия, проводятся приближенные расчеты аэродинамики участков 
газовоздушного тракта. Для проведения вычислительного эксперимента 
требуется определить начальные условия, поведение и характер 
возмущающих воздействий. 
При настройке ПГУ на нагрузку регулятор расхода топлива 
осуществляет изменение регулируемого параметра с целью достижения 
необходимого давления пара перед главной паровой задвижкой. Главная 
паровая задвижка является запорным элементом, определяющим 
состояние пара на входе в турбину. Температура перегретого пара при 
этом контролируется системой впрыска конденсата.
Поскольку для поддержания постоянного давления пара или 
изменения его по заданному закону используется регулятор подачи 
топлива [5], в качестве канала воздействия принят расход топливного газа. 
Изменение расхода топлива на котлоагрегате было выполнено согласно 
трендам, полученным с промышленного объекта, при этом получены 
следующие переходные характеристики (Рис. 1). Результаты 
вычислительного эксперимента позволяют сделать выводы по поводу 
работы регулятора, эффективности работы котла, а также 
охарактеризовать работу вентилятора, подводящего воздух в пропорции к 
расходу топлива для создания регламентированного избытка воздуха в 
топочной камере. 
Таким образом, целостная модель парового котла в составе ПГУ 
предоставляет широкие возможности для анализа тепловых процессов и 
выработки стратегии управления, поэтому может использоваться не только 
в процессе эксплуатации промышленных объектов, но и на этапах 
обоснования инвестиций, проектирования, в ходе модернизации 
19 

---

производства, пусконаладочных работ и ввода в промышленную 
эксплуатацию. 
Рис. 1. Результаты вычислительного эксперимента 
Модель обладает и другими полезными свойствами: предполагая 
безотказную работу системы управления технологическим процессом, она 
оставляет тем не менее пространство для испытания различных 
алгоритмов управления и устройств, отрабатывающих простейшие законы 
регулирования или их комбинацию. В перспективе эта возможность 
позволит использовать полученную математическую модель для 
формирования критериев управления на различных уровнях и выработки 
стратегии оптимизации технико-экономических показателей работы 
энергоблока [6]. 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
1. 
Цифровизация энергетики: от «интеллектуальных» турбин до 
«умных» 
сетей 
[Электронный 
ресурс]. 
– 
Режим 
доступа: 
https://www.eprussia.ru/epr/343-344/8819562.htm. 
2. 
Информационное и имитационное моделирование объектов и 
регионов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://neolant.ru/imodel/.
20 

---

3. 
Сабитов, М. А. Анализ тепловых процессов в котлоагрегате путем 
имитационного моделирования / М. А. Сабитов, Ю. А. Ведерникова, В. М. 
Спасибов // Современные наукоемкие технологии. – 2018. – № 10. – С. 109-
112.
4. 
Бобровская, Е. И. Методы теплового расчета газотрубных котлов / 
Е. И. Бобровская, М. О. Двоеглазова, Н. В. Семенова // Динамика систем, 
механизмов и машин. – 2012. – № 2. – С. 65-68. 
5. 
Рабкина, В. И. Автоматизация и организация управления на 
тепловых электростанциях большой мощности / В. И. Рабкина. – Москва : 
Госэнергоиздат, 1961. – 176 с. 
6. 
Плетнев, Г. П. Автоматизация технологических процессов и 
производств в теплоэнергетике: учебник для студентов вузов / Г. П. 
Плетнев. – Москва : Издательский дом МЭИ, 2016. – 351 с. 
УДК
519.872