ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Задачей атомной электростанции является превращение энергии, выделяющейся в результате деления атомных ядер горючего, в электрическую. Этот технологический процесс проходит по следующей цепи превращения энергии: энергия деления ядер — тепловая энергия теплоносителя и рабочего тела (пара) — механическая энергия ротора турбины — электрическая энергия, вырабатываемая генератором. Для осуществления этих превращений энергии на АЭС имеются основные (реакторы, парогенераторы, турбогенераторы) и вспомогательные агрегаты, соединенные между собой трубопроводами и другими технологическими линиями. Совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям и регламентам технологического процесса называется технологическим объектом.
Основным требованием, предъявляемым к технологическому процессу АЭС, является обеспечение безопасности и надежности ее работы. Под безопасностью понимается уменьшение (практически до нуля) вероятности радиационного поражения персонала АЭС и выброса радиоактивных веществ в окружающую среду в количествах, которые могут принести ущерб прилегающей территории и населению как в нормальных режимах работы АЭС, так и в аварийных ситуациях. Надежность АЭС означает уменьшение числа аварийных остановок, возможность сохранения частичной мощности блока при возникновении аварий в основном технологическом оборудовании и быстрый набор полной нагрузки после аварийной остановки или снижения мощности. Другим важнейшим требованием является экономичность работы АЭС, т. е. уменьшение затрат горючего, электроэнергии собственных нужд, вспомогательных материалов, заработной платы на выработку 1 кВт-ч электрической энергии.
Обеспечение безопасности, надежности и экономичности технологического процесса возможно только при условии, что все величины, характеризующие процесс (температура, давление, расход, частота вращения и т. д.), находятся в строго заданных пределах Выход за эти пределы влечет за собой снижение экономичности, а при увеличении отклонений может привести к аварийной остановке или даже разрушению технологического объекта. Поэтому необходимо постоянно контролировать эти величины и воздействовать на технологический процесс таким образом, чтобы поддерживать их требуемые значения, т. е осуществлять процесс управления
Сущность процесса управления поясняет рис. 1.1. Технологический объект характеризуется рядом выходных или контролируемых величин у1, у2,... уп. На него действуют возмущения v1, V2 и т. д.
Рис 1 1 Структурная схема системы управления
Возмущения могут быть внешними и внутренними. Причиной внешних возмущений являются процессы, происходящие вне рассматриваемого технологического объекта; для АЭС такими возмущениями являются изменения частоты в энергосистеме, изменение температуры охлаждающей воды в конденсаторах турбин и т. п. Внутренние возмущения появляются в результате процессов, происходящих в самом технологическом объекте: выгорания топлива в реакторе, засорения поверхностей теплообмена в парогенераторах, аварийного отключения различных насосов и т. п. Действие внутренних и внешних возмущений приводит к отклонению величин у от заданных значений, и для возвращения их в заданные пределы необходимо изменять значения управляющих воздействий. Изменение управляющих воздействий производится с помощью исполнительных органов (регулирующих клапанов, запорных задвижек, регулирующих стержней реактора, электрических выключателей ). Определение необходимой величины управляющих воздействий производится управляющей системой 2 на основании значений выходных величин у1, у2, ..., уп. Управляющая система может также использовать информацию о возмущениях, если измерение этих возмущений технически возможно и целесообразно для улучшения качества управления.
Так как всякий технологический объект является частью более обширной системы, в управляющую систему 2 поступают задающие воздействия и от управляющих систем более высокого уровня, определяющие требуемые условия работы данного объекта. Для АЭС такой информацией могут являться сведения о требуемой в данный момент мощности станции или разрешение на остановку агрегатов на ремонт, поступающие от системы управления энергосистемой, в которую входит данная АЭС.
Определение необходимых значений управляющих воздействий для несложных технологических объектов может выполняться человеком-оператором ; по мере развития и усложнения технологических процессов во всех областях техники, в том числе и в энергетике, все большее применение находят автоматические устройства, способные воспринимать контролируемые величины и вырабатывать на их основе управляющие воздействия без участия человека или при минимальном его участии. К таким устройствам относятся автоматические регуляторы, устройства аварийных защит и блокировок, устройства логического управления. В период 50-х — начала 60-х годов системы управления АЭС разрабатывались и проектировались с применением автоматических устройств, выполняющих отдельные, не связанные между собой операции. С ростом мощности блоков АЭС и их удельного веса в энергосистемах, а также с интенсификацией технологических процессов ужесточались требования к системам управления. Прежде всего увеличилось количество измеряемых и рассчитываемых параметров (на блоке ВВЭР-1000 — более 4000, да блоке РБМК-1000 — более 20 000); оператору стало практически невозможно непосредственно воспринимать и перерабатывать эту информацию. Возросли сложность операций управления и требования к их точности. Стали предъявляться более жесткие требования к надежности, безопасности и технико-экономическим показателям работы АЭС. Все это привело к тому, что в системах управления АЭС, проектируемых со второй половины 60-х годов, начинают использоваться электронные вычислительные машины — ЭВМ, которые вместе с отдельными автоматическими устройствами объединяются в автоматизированную систему управления технологическим процессом — АСУ ТП. АСУ ТП — это человеко-машинная система управления, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления технологическим объектом в соответствии с принятым критерием. Рассмотрим подробнее последнее определение.
Оптимизация управления означает, что управление должно быть наилучшим. Однако такая формулировка довольно расплывчата, а для построения АСУ ТП требуется конкретизация этого понятия. Поэтому для каждого объекта с учетом особенностей его технологического процесса и внешних условий формулируются цели и критерии управления. Критерием управления АСУ ТП называется соотношение, характеризующее качество функционирования технологического объекта и принимающее конкретные числовые значения, зависящие от управляющих воздействий, выходных величин, внешних и внутренних возмущений, а также задающих воздействий. Целью управления является получение экстремального (т. е. в зависимости от физического смысла минимального или максимального) значения критерия при соблюдении заданных ограничений Для АЭС таким критерием является минимум себестоимости электроэнергии. Ограничения, налагаемые на процесс управления, вытекают из необходимости обеспечения безопасности и надежности объекта. Они обычно сводятся к установлению предельных значений для некоторых контролируемых параметров. Так, повышение давления в трубопроводе может привести к его разрушению, повышение температуры твэлов — к расплавлению оболочки, повышение уровня в парогенераторе— к забросу воды в турбину и разрушению ее лопаточного аппарата. С другой стороны, максимальный расход какой-либо жидкости определяется производительностью соответствующих насосов; перемещение всех исполнительных органов ограничивается их конструкцией.
Критерий управления Q в общем виде может быть записан в виде интегрального соотношения
где Т — рассматриваемый период эксплуатации АСУ ТП, т —время, у, х, и и v — полный набор соответствующих переменных у, х, м, v, F — некоторая функция рассматриваемый параметров
Если критерий управления представляет собой минимум себестоимости электроэнергии за период Т, то в качестве функции F должны быть взяты затраты в каждый текущий момент времени т, а цель управления состоит в минимизации Q. Отметим, что минимизируется не текущее значение функции F, а ее интегральное значение за время Т Поэтому на практике иногда целесообразно временно увеличить F, чтобы впоследствии компенсировать это увеличение значительным и длительным снижением. Например, при работе блока на сниженной мощности целесообразно отключить одну или несколько циркуляционных петель реактора; хотя в момент переключения экономичность объекта несколько снижается, последующее уменьшение затрат при постоянной работе с меньшим числом насосов увеличивает общую экономичность.
При использовании критерия (1.1) ограничения учитываются тем, что у их должны принимать значения, допустимые по условиям безопасности и технологическим свойствам объекта.
Непосредственное использование технико-экономического критерия вида (1.1) для оптимизации управления затруднено или даже невозможно, так как, с одной стороны, требует сложных расчетов, которые не всегда доступны даже современным ЭВМ, а с другой, расчет оптимальных управлений в каждый момент времени требует знания будущих (до конца периода Т) значений возмущений v и задающих воздействий и, что, естественно, нереально.
Поэтому на практике ставятся частные цели управления по оптимизации частных критериев. Такими частными критериями могут, например, являться точность поддержания системой заданных значений параметров или время Т проведения того или иного режима (пуска, останова, перегрузки).
Если частной целью управления будет минимизация времени Т, то
(1.2)
Частные критерии формулируются, исходя из научных, конструкторских и проектных проработок, а также на основании опыта эксплуатации объекта.
В определении АСУ ТП говорится, что АСУ ТП представляет собой человеко-машинную систему. Это означает, что человек (или группа людей) принимает (принимают) участие в выработке решений по управлению и именно на нем (на них) лежит персональная ответственность за безопасную, надежную и экономичную работу объекта. Необходимость участия в современных АСУ ТП наряду с автоматическими устройствами человека диктуется следующими соображениями.
- Современные автоматические устройства могут выполнять разнообразные функции управления только по заранее заданным (хотя, возможно, и сложным) программам. Возникновение ситуации, не предусмотренной программами, при управлении, осуществляемом только автоматическими устройствами, может привести к катастрофическим последствиям. В то же время во многих нестандартных ситуациях необходимое решение может быть найдено квалифицированным оператором.
- Многие редко проводимые, но сложные операции, такие как пуск, перегрузка или останов блока, могут быть полностью поручены автоматическим устройствам. Однако делать это нецелесообразно, так как при этом усложнится и удорожится АСУ ТП и снизится ее надежность. В то же время экономический эффект автоматизации этих операций невелик.
- Хотя возможность единичного сбоя (проведения неправильной операции) у человека больше, чем у автоматического устройства, полное выключение из процесса управления (например, в результате внезапного заболевания) для здорового человека маловероятно. Поэтому участие человека-оператора в целом повышает надежность АСУ ТП.
- Человек, постепенно накапливая и творчески анализируя опыт управления объектом, может предложить принципиально новые решения по совершенствованию технологического объекта и его систем управления.
Наличие человека в системе управления не исключает возможности того, что система длительное время может работать в автоматическом режиме, не получая управляющих воздействий от человека. На человека при этом возлагаются только функции наблюдения за правильностью работы объекта и АСУ ТП; при этом оператор должен быть постоянно готов взять на себя управление при возникновении непредвиденной ситуации.
Введение в определение АСУ ТП понятия автоматизированного сбора и обработки информации подчеркивает наличие в АСУ ТП современных технических средств, в первую очередь электронных вычислительных машин. Поэтому те системы управления, где имеются отдельные автоматические устройства, но контроль параметров процесса осуществляется только по показывающим приборам, наблюдение за которыми поручается оператору, не называются АСУ ТП.
Существенной особенностью АСУ ТП является ее способность перерабатывать не только технологическую информацию (измеряемые выходные величины объекта), но и техникоэкономическую информацию. В прежних системах управления оператору предоставлялась только технологическая информация.
Анализ экономичности объекта и оптимизация его управления по технико-экономическим критериям целиком поручались операторам. В АСУ ТП не только производится автоматическая обработка технологической информации с целью получения технико-экономических показателей и предоставления их оператору, но и в ряде случаев эти показатели используются для автоматической выработки управляющих воздействий.
Совместно функционирующие технологический объект и управляющая им АСУ ТП образуют автоматизированный технологический комплекс (АТК). При разработке и эксплуатации АСУ ТП технологический объект интересен прежде всего с точки зрения управления, и его обычно называют технологическим объектом управления (ТОУ).
Автоматизированные системы управления технологическими процессами, выполняющие одни и те же функции управления, могут различаться по числу и номенклатуре используемых ЭВМ, автоматических устройств и т. п. Поэтому при проектировании АСУ ТП следует обращать внимание не только на качество реализуемого ею процесса управления, но и на характеристики самой АСУ ТП: надежность, стоимость, удобство работы операторов и т. п. Подробно характеристики АСУ ТП рассмотрены в § 2.4.
Обычно на АЭС имеется несколько энергетических блоков, каждый из которых состоит из одного реактора, двух или трех турбогенераторов, а также другого технологического оборудования.
Рис 1.2 Структура АСУ, ТП АЭС.
1 — АСУ ТП АЭС; 2 — АСУ ТП блоков, 3 - технологическое оборудование блоков, 4 — общестанционные системы
Блок может осуществлять технологический процесс независимо от работы других блоков АЭС. На станции имеются также общестанционные системы (например, электрические распределительные устройств)а, химводоочистка), которые обслуживают все блоки. В соответствии с этим АСУ ТП на АЭС образуют два уровня (рис. 1.2). Верхний уровень занимает АСУ ТП АЭС, в задачи которой входит распределение мощности между блоками станции путем выработки и передачи соответствующих задающих воздействий, некоторые функции оперативно-диспетчерского и производственно-технического управления, а также управление общестанционными системами. АСУ ТП АЭС осуществляет обмен информацией с АСУ более высоких уровней АСУ энергетики «Энергия» и АСУ системой АЭС «Атом». АСУ ТП АЭС передает в эти АСУ технико-экономическую информацию о работе блоков и станции в целом и получает управляющую информацию о требуемой мощности АЭС, оптимальных сроках перегрузок, ремонтов и т. п. Кроме того, ЭВМ АСУ ТП АЭС решают некоторые крупные неоперативные задачи для АСУ ТП блоков.
На нижнем уровне находятся АСУ ТП блоков. На АЭС СССР принято создавать для каждого блока свою АСУ ТП. В функции АСУ ТП блоков входит управление технологическим процессом в соответствии с информацией о требуемой мощности блока, получаемой от АСУ ТП АЭС, а также передача необходимой информации о состоянии оборудования блока в АСУ ТП АЭС.
Накопленный в настоящее время опыт относится в основном к АСУ ТП блоков, а именно этим системам уделяется основное внимание в пособии.
