Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние проблемы и постановка задачи исследования 10
1.1 Актуальность темы исследования 10
1.2 Анализ состояния вопроса по теме исследования 13
1.2.1 Уровень развития систем теплоснабжения 13
1.2.2 Современное состояние вопроса автоматизации систем теплоснабжения 26
1.3 Постановка задач исследования 38
ГЛАВА 2. Статическая математическая модель системы теплоснабжения и эффективность внедрения автоматического регулирования 39
2.1 Выявление резервов энергосбережения в системе теплоснабжения 39
2.2 Критерии энергосбережения в системе теплоснабжения 42
2.3 Алгоритмы управления автоматизированной системы теплоснабжения 46
2.4 Исследование математической модели в статическом режиме 54
2.5 Основные результаты и выводы по второй главе 62
ГЛАВА 3 Синтез структурной схемы и алгоритмов управления автоматизированной системы теплоснабжения 64
3.1 Математическая модель системы теплоснабжения 64
3.2 Синтез регулятора системы теплоснабжения 71
З.З Моделирование системы автоматического регулирования 77
3.4 Основные результаты и выводы по третьей главе 94
ГЛАВА 4. Техническая реализация автоматизированной системы теплоснабжения 95
4.1 Выбор основных элементов системы теплоснабжения 95
4.2 Функциональная схема системы теплоснабжения 109
4.3 Принципиальная схема автоматизированной системы теплоснабжения 114
4.4 Сервисное и программное обеспечение системы 119
4.5 Результаты внедрения способа автоматического регулирования системы отопления 122
4.6 Расчет технико-экономических показателей 125
4.7 Основные результаты и выводы по четвертой главе 129
Основные результаты и выводы диссертационной работы 130
Список использованных источников
- Уровень развития систем теплоснабжения
- Критерии энергосбережения в системе теплоснабжения
- Синтез регулятора системы теплоснабжения
- Принципиальная схема автоматизированной системы теплоснабжения
Введение к работе
Актуальность темы исследования 10
Анализ состояния вопроса по теме исследования 13
Уровень развития систем теплоснабжения 13
Современное состояние вопроса автоматизации систем 26 теплоснабжения
1.3 Постановка задач исследования 38
ГЛАВА 2. СТАТИЧЕСКАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ВНЕДРЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ 39
Выявление резервов энергосбережения в системе теплоснабжения 39
Критерии энергосбережения в системе теплоснабжения 42
Алгоритмы управления автоматизированной системы теплоснабжения 46
Исследование математической модели в статическом режиме 54
Основные результаты и выводы по второй главе 62 ГЛАВА 3 СИНТЕЗ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ И
АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ
СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ 64
Математическая модель системы теплоснабжения 64
Синтез регулятора системы теплоснабжения 71 З.ЗМоделирование системы автоматического регулирования 77 3.4 Основные результаты и выводы по третьей главе 94
Уровень развития систем теплоснабжения
Системы теплоснабжения жилых и производственных зданий от центральных котельных в сельском хозяйстве нашли широкое применение в нашей стране.
В сельском хозяйстве в системе централизованного теплоснабжения особое место занимают не только центральные котельные, но и тепловые сети. Связывая источник тепла с потребителями, имеющих разнообразную по величине и назначению тепловую нагрузку, тепловые сети должны обеспечивать согласованную работу всех звеньев системы централизованного теплоснабжения.
На сегодняшний день стабилизацию гидравлического режима, поглощение избыточных напоров на тепловых пунктах и перед отдельными теплоприемниками при отсутствии автоматических регуляторов производят с помощью постоянных сопротивлений - сопел элеваторов и дроссельных диафрагм. Элеваторы и смесительные насосы устанавливают на тепловых пунктах при непосредственном присоединении к тепловым сетям с перегретой водой жилых и административно-общественных зданий. Элеваторы используют для систем отопления с расчетными потерями напора не более 1,5 - 2 м. Для подключения к сетям системы теплопотребления с гидравлическим сопротивлением, превышающим указанные выше величины, используют смесительные насосы [3,4,9, 110].
Подачу смесительного насоса рассчитывают по следующим формулам: а), при установке насоса на перемычке между подающими и обратными трубопроводами (только смесительные функции) G„=1,3- VJP, (1.16) б), при установке насоса на подающем или обратном трубопроводе за подмешивающей перемычкой (смесительно-подкачивающие функции) где G,f - подача насоса, т/ч; G, - расчетный расход сетевой воды на систему отопления, т/ч; иг - расчетный коэффициент смешения.
Дроссельные диафрагмы перед системами теплопотреблсния или отдельными теп л о при ем пиками устанавливают на подающем или обратном трубопроводе, или на обоих трубопроводах в зависимости от необходимого для системы гидравлического режима. Например, при давлении в обратном трубопроводе тепловой сети, недостаточном для залива верхних точек системы отопления, дроссельную диафрагму устанавливают на обратном трубопроводе теплового пункта, создавая требуемый подпор для системы [13, 15].
Диаметр отверстия дроссельной диафрагмы (mi) определяют по формуле: / ю (1.18) ) д// где G - расчетный расход воды через дроссельную диафрагму, т/ч; АН - напор, дросселируемый диафрагмой, и.
Дросселируемый в диафрагме напор находят как разность между располагаемым напором перед системой теплопотребления или отдельным теплонриемником и гидравлическим сопротивлением системы (с учетом сопротивлений установленных в ней дроссельных устройств) или сопротивлений теплоприемника [9].
Изменение расчетных условий работы тепловых сетей, их гидравлическая разрегулировка вызывают нарушения в работе систем отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования воздуха, приводят, как правило, к резкому завышению расхода сетевой воды, сокращению пропускной способности сетей и перерасходу топлива и электроэнергии. Указанные недостатки устраняются наладкой тепловых сетей, теплоприготовительных установок, тепловых пунктов и систем теплопотребления.
Основное преимущество рассмотренного выше метода регулирования -это стабильный гидравлический режим в тепловой сети. В то же время такой метод регулирования в связи с постоянством давления в тепловой сети не позволяет решить вопрос экономичного и наиболее эффективного регулирования в соответствии с требованиями каждого потребителя.
В России традиционно практикуется качественный способ регулирования отпуска тепловой энергии источникам, т. е. температура сетевой воды меняется в зависимости от температуры наружного воздуха. Центральное регулирование неспособно учесть особенности каждого потребителя. В связи с этим потребители устанавливают в своем здании автоматизированный тепловой пункт, и сами управляют потреблением тепловой энергии. Количество тепловой энергии расходуется на здание столько, сколько необходимо для создания комфортных условий в помещениях. Следовательно, нет перегрева помещений, а соответственно нецелесообразного расхода тепла [29,21].
Автоматизированный тепловой пункт состоит из системы управления отоплением и вентиляцией здания, водоподогрсвательной установки, систем распределения тепловой энергии по трубопроводам здания, узлов учета потребляемой тепловой энергии и воды [75,9].
На рис. 1.1 приведен пример принципиальной технологической схемы автоматизированного теплового пункта.
По функциональному назначению тепловой пункт можно разделить на отдельные узлы, связанные между собой трубопроводами и имеющие обособленные или, в отдельных случаях, общие средства автоматического управления:
Критерии энергосбережения в системе теплоснабжения
Важнейшей проблемой, требующей решения, является автоматизация теплопотребляющих приборов и установок в целом, так как оптимальные режимы подачи теплоты в отдельные помещения даже одного и того же здания могут существенно различаться. Это означает, что невозможно за счет центрального, группового и даже местного регулирования добиться оптимальных режимов подачи и потребления теплоты в системах централизованного теплоснабжения сельского хозяйства.
Широкое распространение в этих системах экономичных способов регулирования, основанных на изменении частоты вращения рабочих колес насосов, позволит добиться наиболее эффективного режима работы системы теплоснабжения, уменьшить потребление электроэнергии на 14-15 млрд. кВтч, т.е. сэкономить примерно 1% электроэнергии, вырабатываемой энергосистемами страны. Для сравнения укажем, что ежегодный прирост выработки электроэнергии в стране не превышает 3,5 -4 % [32].
Применение современных способов регулирования насосов позволяет также увеличить единичную мощность насосных а!регатов и тем самым уменьшить их общее число на насосных станциях. Благодаря этому при определенных условиях могут быть существенно снижены строительные объемы насосных станций. Кроме того, применение способов регулирования за счет стабилизации давления уменьшает утечки и соответственно сокращает расходы воды в системах водоснабжения на 3-5 % [19, 16, 34]. 2.2 Критерии энергосбережения в системе теплоснабжении
В государственной и отраслевой статистике имеется более десятка форм, в которых отражены показатели энергопотребления и эффективности энергоиспользования на предприятиях, в отраслях, регионах, на макроуровне экономики.
Сегодня важным аспектом энергосбережения является экономия топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) - сравнительное в сопоставлении с базовым, эталонным значением сокращения потребления ТЭР на производство продукции, выполнение работ и оказание услуг установленного качества без нарушения экологических и других ограничений в соответствии с требованиями общества [12, 15].
Величину экономии определяют через сравнительное сокращение расхода, а не потребления ТЭР. Эталонное значение расхода ТЭР устанавливается в нормативных, технических, технологических, методических документах и утнерждается уполномоченным органом применительно к проверяемым условиям и результатам деятельности [69].
Основные критерии энергосбережения в системе теплоснабжения: Энергоемкость производства продукции - величина потребления энергии или топлива на основные и вспомогательные технологические процессы изготовления продукции, выполнения работ, оказания услуг на базе заданной технологической системы. Потери энергоресурсов - разность между количеством подведенных (первичных) и потребляемых (полезных) энергоресурсов. Экономичность потребления изделия - количественная характеристика эксплуатационных свойств изделия, отражающая ею техническое совершенство, определяемое совершенством конструкции и качеством изготовления, уровнем или степенью потребления им энергии или топлива при использовании этого изделия по прямому функциональному назначению [27].
Организационную, техническую, научную, экономическую деятельность в области энергосбережения характеризуют показателями: Фактической экономией ТЭР, в том числе за счет нормирования энергопотребления на основе технологических регламентов и стандартов (отраслевых, региональных, предприятий). Экономического стимулирования (отраслей, регионов, предприятий, персонала). Снижения потерь ТЭР, в т.ч. за счет оптимизации режимных параметров энергопотребления; проведения не требующих значительных инвестиций энергосберегающих мероприятий по результатам энергетических обследований; внедрения приборов и систем учета ТЭР; подготовки кадров, проведения рекламных и информационных компаний.
Снижение энергоемкости производства продукции (на предприятии) и валового внутреннего продукта (в регионе, стране). В том числе за счет внедрения элементов структурной перестройки энергопотребления, связанной с освоением менее энергоемких схем энергообеспечения, вовлечением в энергетический баланс нетрадиционных возобновляемых источников энергии, местных видов топлива, вторичных энергоресурсов; реализации проектов и программ энергосбережения, энергосберегающих технологий, оборудования, отвечающих мировому уровню [27, 14, 15].
Общий расход тепла на собственные нужды котельной определяют расчетным или опытным путем исходя из потребностей конкретного теплоисточника [14].
На примере районного центра Калтасы можно определить удельный расход топлива на 1 Гкал, удельный расход воды на 1 Гкал, удельный расход электроэнергии на 1Гкал в 2004 году.
Потребность котла КСВ 2,9-Г2 производительностью 2,5 Гкал/час установленного в котельной райцентра Калтасы в натуральном топливе в час определяется но формуле
Синтез регулятора системы теплоснабжения
Для решения многих задач управления процессами в системе теплоснабжения успешно применяются пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) - регуляторы. Основная причина их широкого распространения связана с тем, что динамические свойства большинства технических процессов можно аппроксимировать динамическими моделями второго порядка. Более того, ПИД-регуляторы на сегодняшний день устанавливаются непосредственно на частотный преобразователь, что позволяет контролировать и поддерживать необходимые параметры системы без каких-либо дополнительных устройств регулирования, соответственно удешевляется система управления. Уравнение ПИД-регулятора имеет вид. ад 1+. 1 + 7} г 1+(7-/+7- 1+7} г (3.28) где к - коэффициент усиление регулятора; 7} - постоянная времени; Tj - постоянная времени дифференцирования; E(s) = Vl (s)-y(s) - преобразование Лапласа;
В то же время ПИД-регулятор не подходит для управления процессами, в которых значительную роль играют следующие факторы: - временные задержки; - колебательный характер динамики системы; - изменение параметров, как предсказуемые, так и непредсказуемые; - несколько входов и выходов.
Временные задержки являются следствием протяженности систем, различных контуров обратной связи или могут быть связаны со временем, требуемым для выполнения анализа продукта и выдачи соответствующих результатов в качестве данных измерений. В этом случае информация о процессе поступает к регулятору позже, чем это требуется, что вызывает проблемы. Задержки ограничивают работу систем управления и могут привести к неустойчивости технического процесса [48].
Система состоит из объекта регулирования (потребители), регулирующего объекта (сетевой насос), тепловой сети (трубопровод). Регулируемый параметр (давление) изменяется регулирующим органом по требованию объекта регулирования. Передача давления осуществляется по тепловой сети, но процедура передачи требует времени 7 . Влияние времени задержки иллюстрируется рисунком 3.11. ПИД-регулятор настроен на оптимальное управление при отсутствии временной задержки. Передаточная функция замкнутой системы [42, 99]. где GR - передаточная функция регулятора; G,, - передаточная функция процесса; е %т - передаточная функция задержки измерений.
Обеспечить управление этой системой с помощью простого регулятора сложно. В системе теплоснабжения в момент времени / = 0 давление в трубопроводе низкое, и регулятор увеличивает подачу насоса для повышения давления в трубопроводе. Любые изменения, связанные с действием регулятора при / = 0, не проявляются до момента t = 3. Так как прис- 3 регулятор не обнаруживает никаких изменений давления, он продолжает увеличивать производительность насоса. Результат изменения, произведенного при / = 0, впервые обнаруживается при / = 3. Если усиление регулятора велико, то изменение давления за рассматриваемый промежуток времени будет значительным. Соответственно, регулятор снизит дозировку, однако результат этого действия будет обнаружен лишь при t = 6, а действия регулятора между t = 3 и t = 6 приведут к дальнейшему ухудшению [48, 100].
Задержки приводят к тому, что информация, поступившая слишком поздно, ведет к нарушению устойчивости. Решение данной задачи выполняет регулятор, включающий модель системы - экстраполятор Смита [48, 17, 18].
При применении предложенного регулятора процесс, подобный показанному на рисунке З.П, будет протекать значительно лучше, чем под управлением ПИД-регулятора с такими же настройками. Переходная характеристика системы обратной связи имеет тот же вид, как и при отсутствии временной задержки, но со смещением на время Г рисунок 3.13.
Определение области значений параметров настройки регулятора, удовлетворяющей требованиям по запасу устойчивости системы автоматического регулирования; значений параметров настройки регулятора, оптимальных с точки зрения принятого показателя или критерия качества, окончательно осуществляется в процессе моделирования системы в пакете Matlab. При этом система будет устойчивой, если задержки в тепловой сети, учитываемые экстраполятором Смита, не превышают 13 % от номинальных значений.
Для разработки методов реализации автоматизированной системы теплоснабжения, необходимо произвести исследование системы. Одним из наиболее эффективных приемов такого исследования является математическое моделирование.
Для моделирования системы теплоснабжения с учетом многих нюансов, которые невозможно учесть при статическом моделировании, необходимо произвести моделирование в динамическом режиме. Модель, разработанная в пакете Matlab [106, 107, 108], учитывает временные задержки в трубопроводе, которые возникают в результате движения теплоносителя, т.е. воды от источника тепла к потребителю. Для моделирования системы теплоснабжения рассмотрим модель жидкости [37].
Жидкость называется несжимаемой, если ее плотность не изменяется в процессе движения: dpldt =0, причем, если изначально у всех частиц жидкости эта плотность была одинакова (однородная жидкость), то она остается таковой во все время движения: р = р 0 = const ,
Конечно, несжимаемая жидкость - это только модель реальной среды, ибо, как известно, абсолютно несжимаемых сред нет. Однако если изменениями плотности жидкости в том или ином процессе можно пренебречь, модель несжимаемой жидкости оказывается весьма продуктивной. Плотность воды при нормальных условиях равна 1000 кг/м3 [38].
Принципиальная схема автоматизированной системы теплоснабжения
Контроль системы теплоснабжения осуществляется из операторной, куда поступают все параметры датчиков, находящихся в котельной, также находящихся в автоматизированных тепловых пунктах у потребителей. Сигналы от АТП поступают через модемы по системе телефонизации, в качестве преобразователя сигнала использованы контроллеры ТАС Xenta 301.
Для контроля всей системы использована комплексная система диспетчеризации ТАС Vista 4 [103].
ТАС Vista 4 - мощный инструмент управления и база для принятия решений, где одновременно легко и быстро адаптируется необходимый набор функций и уставок при изменении условий задач.
При использовании ТАС Vista 4 оператор получает возможность анализировать и контролировать в реальном времени как энергетические характеристики системы (например, передача аварийного сообщения в случае выхода из строя, какого либо насоса), так и события, определяющие статус системы. Всегда можно просчитать заранее, как скажется на текущих расходах и доходах отключение части системы в переходной период, или на период выходных [103, 104].
ТАС Vista позволяет регулировать, анализировать и проверять все аспекты работы системы теплоснабжения. Все оперативные данные по системам, как потребителей так и котельной могут просматриваться и экспортироваться в привычные приложения Windows, или во внешние базы данных.
Информация от датчиков всей системы теплоснабжения накапливается и обрабатывается сервером ТАС Vista 4 Server. Доступ к информации пользователей, имеющих необходимую авторизацию, возможен через программу ТАС Vista 4 Workstation, которая обрабатывает аварийные сообщения, производит регистрацию событий, контролирует функциональные схемы. Доступ к информации на сервере ТАС Vista Server возможен через Интернет.
Сообщения о серьезных сбоях в работе систем могут автоматически отсылаться ответственным лицам по e-mail, факсу, в виде SMS сообщения или через WAP.
При пользовании WAP сервером можно передавать инструкции по ликвидации аварии по мобильному телефону. Передавать можно как срочные сообщения, так и накопленные и обработанные сведения от баз данных [103].
На рисунке 4.9 представлена диспетчеризация системы теплоснабжения.
Для программирования контроллеров в соответствии с заданным способом регулирования использовалось программное обеспечение ТАС Menta. На рисунке 4.10 в качестве примера показан регулятор давления, как фрагмент программирования контроллеров.
Для сравнения полученных теоретическим путем результатов, приведем результаты внедрения автоматизированной системы теплоснабжения и райцентре Калтасы за 2004 - 2005 год.
После внедрения автоматизированной системы теплоснабжения в котельной, уменьшилось потребление электроэнергии котельной, это видно на рисунке 4.11.
Расход электроэнергии за 2005 год по сравнению с 2004 годом существенно снизился, более того он стал более равномерным, в течение года, без особенных резких изменений в потреблении. По расчетам критериев энергосбережения определен расход электроэнергии на 1 Гкал за 2004 год и за 2005 год после внедрения автоматизированной системы теплоснабжения. Если учесть что в 2004 году потребление электроэнергии составило 1238685 кВтч, а в 2005 году -Ш23911 кВтч. Тепло потребление на отопление и вентиляцию в год составляет 13555,7 Гкал. Удельный расход электроэнергии на 1 Гкал в 2004 году и" QJ 13555,7 \Гма Удельный расход электроэнергии на 1 Гкал в 2005 году Э (023911 .„кВт-ч Я»м, = —т = =73,53 . " Qm 13555,7 \1\ал Можно сделать вывод, что экономия электроэнергии и год после внедрения нового оборудования составила 17 Ъ%.
