Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ проблемы и постановка задач автоматизированного управления системами теплоснабжения промышленных объектов в современных условиях 13
1.1. Существующие проблемы теплоснабжения объектов промышленных предприятий 13
1.2. Принципы комбинированного производства тепла и электроэнергии. Вопросы энергосбережения 15
1.3. Низкотемпературное централизованное теплоснабжение. Датский опыт .21
1.4. Обзор методов и систем управления режимами теплоснабжения 25
1.5. Постановка цели и задач исследования 35
ГЛАВА 2. Подход к автоматизации управления системами централизованного теплоснабжения промышленных объектов 37
2.1. Факторный анализ экономической эффективности теплоснабжения промплощадки ОАО "ММК" при пониженном температурном графике .37
2.2. Концепция регулирования теплоснабжения промышленных объектов при дефицитных режимах 40
2.2.1. Критерии принятия решений при регулировании режимов 40
2.2.2. Технические мероприятия 42
2.2.3. Порядок проведения работ 49
2.3. Автоматизация управления энергетической эффективностью систем теплоснабжения 51
2.3.1. Общая структура автоматизированной системы управления энергетической эффективностью систем теплоснабжения 51
2.3.2. Энергетическая паспортизация потребителей 54
Выводы к главе 2 57
ГЛАВА 3. Математическое моделирование процесса централизованного теплоснабжения объектов 59
3.1. Общий подход к разработке математической модели системы централизованного теплоснабжения объектов 59
3.2. Моделирование источников тепловой энергии .60
3.3. Моделирование режимов тепловых сетей 62
3.3.1. Методы моделирования режимов тепловых сетей 62
3.3.2. Построение топологической структуры тепловой сети 65
3.3.3. Методика проведения гидростатического расчета теплосети на основе укрупненных расчетных схем 68
3.3.3. Гидравлическая модель тепловой сети 71
3.3.4. Результаты моделирования гидравлического режима сетевого района горно-обогатительного производства ОАО "ММК" 76
3.3.5. Расчет тепловых потерь через изоляцию трубопроводов 78
3.4. Моделирование оборудования тепловых пунктов 84
3.4.1. Отопительные приборы 84
3.4.2. Теплообменники 86
3.4.3. Насосы 88
3.4.4. Регулирующие клапаны 93
3.5. Моделирование теплового режима здания 96
Выводы к главе 3 105
ГЛАВА 4 . Техническая реализация автоматизированных систем управления теплоснабжением промышленных объектов 106
4.1. Способы регулирования отопления зданий 106
4.1.1. Способ автоматического регулирования расхода тепла в системе центрального отопления здания в условиях большого диапазона изменения параметров теплоносителя 106
4.1.2. Способ адаптивного регулирования отопления здания ПО
4.1.3. Способ регулирования отопления на основе применения нечеткой логики 114
4.2. Автоматизированная тепловая подстанция сетевого района горно обогатительного производства ОАО "ММК" (АТП-ГОП) 120
4.2.1. Назначение и цели создания АТП-ГОП 120
4.2.2. Описание существующей системы водяного централизован-ного теплоснабжения района ГОП 121
4.2.3. Требования, предъявляемые к АТП-ГОП ..124
4.2.4. Принципиальная схема АТП-ГОП 127
4.3. Система коррекции температурного графика на основе автоматизированного пароструйного подогревателя 130
Выводы к главе 4 133
Основные выводы и результаты 134
Литература 137
- Принципы комбинированного производства тепла и электроэнергии. Вопросы энергосбережения
- Автоматизация управления энергетической эффективностью систем теплоснабжения
- Методика проведения гидростатического расчета теплосети на основе укрупненных расчетных схем
- Способ автоматического регулирования расхода тепла в системе центрального отопления здания в условиях большого диапазона изменения параметров теплоносителя
Введение к работе
Актуальность исследования данных вопросов связана с повышением на практике температуры обратной воды. В этой связи предлагается увеличивать площадь теплообменных аппаратов, осуществлять оптимизацию величины расхода теплоносителя при различных нагрузках. Особое внимание уделяется выбору оптимального коэффициента передачи тепла в теплообменнике.
Для оптимального управления конкретной системой централизованного теплоснабжения необходимо прогнозирование тепловой нагрузки, на основании которого осуществляется выбор источника (источников) тепла, расчет температуры подачи и расхода в тепловой сети, как для нормального, так и для пикового режима функционирования. В качестве метода прогнозирования нагрузки сети может использоваться статистический анализ, учитывающий тепловую нагрузку, климатические данные, комбинированные в некоторых случаях с текущими параметрами, измеренными в выбранных точках сети. Это позволяет повысить точность краткосрочных прогнозов.
Реалистичное моделирование тепловой нагрузки очень важно для экономичного проектирования тепловых пунктов. В настоящее время во многих случаях теплообменники и регулирующие клапаны имеют завышенные размеры. Выбор оптимальных размеров компонентов тепловых пунктов должен осуществляться на основании статического и динамического моделирования с учетом взаимного влияния тепловых нагрузок. Целью расчета является сглаживание пиковых нагрузок за счет ограничения расхода с минимальными неудобствами для потребителей.
Таким образом, приведенный обзор показывает, что в работах указанных авторов не рассматривались специфичные задачи управления, которые возникают в дефицитных режимах при низкотемпературном графике теплоснабжения промышленных объектов.
1.5. Постановка цели и задач исследования
Как следует из приведенного обзора литературы, в настоящее время нет систематических исследований и разработок по управлению режимами теплоснабжения промышленных объектов при пониженном температурном графике. Существующие зарубежные разработки не могут быть непосредственно использованы в российских условиях. Принципиальное различие состоит в том, что в западных системах теплоснабжения используется количественный способ регулирования режимов, а в отечественных системах - качественный. Несмотря на это, исходя из западного опыта, можно утверждать, что переход к низкотемпературным режимам является генеральным направлением развития энергосберегающих работ в теплофикационных системах. Поэтому разработка методов и средств управления режимами теплофикационных систем с пониженными температурными графиками является весьма актуальной задачей и составляет цель диссертационной работы.
Целью диссертационной работы является разработка методов и систем автоматизированного управления теплоснабжением промышленных объектов при низкотемпературных режимах функционирования тепловых сетей.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи исследовательского, методологического и прикладного характера:
Проведение факторного анализа экономической эффективности теплоснабжения объектов при пониженном температурном графике.
Разработка технической концепции регулирования теплоснабжения промышленных объектов при дефицитных режимах функционирования тепловых сетей.
Разработка математической модели системы централизованного теплоснабжения объектов, не требующей чрезмерной детализации характеристик сети и тепловых нагрузок потребителей.
Разработка способов эффективного регулирования отопления зданий в условиях пониженных и нестабильных параметров теплоснабжения.
5. Разработка автоматизированных систем регулирования теплоснабжения промышленных объектов, основанных на предложенных методах.
В работе ставится задача довести указанные разработки до опытных образцов и внедрить в практику управления режимами теплофикационной системы промышленной площадки ОАО "ММК".
Принципы комбинированного производства тепла и электроэнергии. Вопросы энергосбережения
Генеральным направлением развития энергетики в настоящее время является комбинированное производство тепла и электроэнергии - теплофи-кация. Теплофикация позволяет рациональным образом использовать топливно-энергетические ресурсы.
Рассмотрим числовые характеристики эффективности теплофикации в соответствии с данными работы [85]. Ниже приводятся данные для электростанций мощностью 200 - 600 МВт, использующих в качестве охладителя природную воду. При этом давление пара считается равным 24 МПа., температура пара - 560 С. Температуры централизованного теплоснабжения (ЦТ) приняты: в подаче - 100 С, в обратной линии - 50 С. Преимущества комбинированного производства тепла и электроэнер гии.
Преимущества производства тепла и электроэнергии показаны на рис. 1.1,1.2 и 1.3 путем сравнения 3-х различных типов электростанций:
- конденсационная электростанция, использующая в качестве охладителя природную воду (рис. 1.1);
- ТЭЦ с противодавленческими турбинами, использующая в качестве охладителя воду ЦТ (рис. 1.2);
- экстракционная ТЭЦ, использующая два альтернативных охладителя: природная вода и вода ЦТ (рис. 1.3.)
На ТЭЦ с противодавленческими турбинами весь пар конденсируется при достаточно высокой температуре охладителя, тем самым, снижая мощность производства электричества приблизительно до 36% по сравнению с КПД конденсационной электростанции, равным 45%. Однако, повышение общего КПД (до 92%) достигается теплопроизводительностью в 56%.
ТЭЦ с противодавленческими турбинами имеет фиксированное соотношение выработки электроэнергии и теплопроизводительности электростанция
Преимущество комбинированного производства тепла и электроэнергии иллюстрируется путем сравнения 2-х крупных установок с комбинированным производством и без него: конденсационная электростанция (45%) и установка с противодавленческими турбинами (36% и 56%).
Сокращение выработки электроэнергии на установке с противодавленческими турбинами, рассчитанное в единицах энергии затрачиваемого топлива (100 единиц), составляет 45-36 = 9 единиц. Достигнутое производство теплоты - 56 единиц. Таким образом, при переходе с конденсационной электростанции на установку с противодавленческими турбинами с тем же расходом топлива (100 единиц) 9 единиц электроэнергии должны быть произве дены на другом источнике, например на другой конденсационной электростанции. Дополнительное количество топлива, использованное для производства 9 единиц энергии на конденсационной электростанции, составит: 9 единиц / 0.45 = 20 единиц. Отсюда» энергетический КПД достигнутого производства тепла:
56100% = 280%. (L2) Это означает, что для производства одной единицы тепла требуется топливо в объеме лишь примерно одной трети единицы. Этот расчет уместен лишь при полном режиме противодавления с общим КПД свыше 90%. Современные экстракционные ТЭЦ работают между двумя режимами в зависимости от потребления тепла относительно производства электричества. В таком случае годовой КПД ТЭЦ обычно составляет 70-75%, а энергетический КПД достигнутого производства тепла обычно составляет 200%.
Из расчетов следует, что комбинированное производство тепла и электроэнергии важно для рационального использования энергии. По сравнению с конденсационной электростанцией, ТЭЦ приблизительно удваивает использование содержащейся в топливе энергии.
Другое общее правило: комбинированное производство тепла и электроэнергии экономит около 30% топлива по сравнению с раздельным производством электричества и тепла.
Далее рассмотрим подробнее различные типы электрических и тепловых станций.
Автоматизация управления энергетической эффективностью систем теплоснабжения
Энергетическая эффективность системы теплоснабжения может быть оценена по экономии электрической энергии и теплоты при поддержании заданных режимов работы тепловой сети, обеспечивающих устранение перерасходов сетевой воды, и при удовлетворении требуемого распределения теплоносителя по потребителям.
Расход тепловой энергии и расход циркулирующей воды в сети определяются параметрами потребителей. Поэтому контроль действительных значений параметров потребления тепла и проведения мероприятий по энергосбережению потребителей являются существенными факторами повышения эффективности системы теплоснабжения.
Решение данной задачи основывается на следующих базовых мероприятиях:
- введение приборного учета параметров потребления тепловой энергии;
- проведение энергетической паспортизации потребителей тепловой сети.
Энергетическая паспортизация потребителей должна основываться на фактических данных о потреблении, полученных в результате приборного учета или энергетического аудита. Результатами энергетической паспортизации должны быть:
- данные по теплотехническим показателям потребителей, обеспечивающие решение задачи оптимизации режимов сети;
- перечень контролируемых мероприятий по энергосбережению на стороне потребителей.
Сбор данных по потребителям, ведение энергетических паспортов и расчет оптимальных параметров режимов целесообразно автоматизировать в рамках автоматизированной системы управления теплоснабжением (АСУ
"Тепло").
Общая структура АСУ "Тепло", осуществляющая управление энергетической эффективностью тепловой сети, представлена на рис.2.2.
Технологическим объектом управления (ТОУ) здесь является тепловая сеть, рассматриваемая в комплексе с теплоисточником и потребителями (П). Составными частями АСУ "Тепло" являются база данных (БД) энергетических паспортов (ЭП) потребителей и база данных участков сети. Указанные базы данных заполняются по результатам энергетических обследований потребителей и тепловой сети.
В результате энергетической паспортизации потребителей может быть выявлен перерасход тепловой энергии в системе теплоснабжения. Следует заметить, что нагрузка потребителей разнородная, и распределена неравномерно, т.е. одни потребители испытывают дефицит тепловой энергии, а у других наблюдается перерасход. Поэтому простое уменьшение расхода тепла в групповом тепловом пункте (на насосной станции) может привести к аварийным ситуациям (например, замораживание системы) и еще большему ухудшению параметров теплоснабжения отдельных потребителей.
В результате возникает задача аналитического расчета тепловых и гидравлических режимов сети с целью выявления дефицитных и профицитных районов (потребителей) с тем, чтобы далее установить системы регулирования именно у тех потребителей, у которых наблюдается перерасход. Результатами расчетов являются параметры регулирования гидравлических режимов потребителей.
Для расчета гидравлических режимов потребителей необходимо знать их проводимости и расходы. Также должны быть известны данные о длинах, диаметрах и коэффициентах местных сопротивлений участков тепловой сети. Таким образом, БД участков сети должна содержать информацию о длинах, диаметрах и коэффициентах местных сопротивлений участков, а БД ЭП потребителей должна содержать информацию о проводимостях и расходах потребителей.
Необходимые расходы потребителей оцениваются исходя из теплового графика центрального регулирования на основе энергетических паспортов потребителей ресурсов. 2.3,2. Энергетическая паспортизация потребителей
Энергетический паспорт потребителя топливно-энергетических ресурсов является нормативным документом, отражающим баланс потребления и содержащим показатели эффективности использования ТЭР в процессе хозяйственной деятельности объектами производственного назначения, а также содержащим энергосберегающие мероприятия. Энергетический паспорт содержит данные об энергетических объектах предприятия, объемах потребления топливно-энергетических ресурсов и воды, удельные показатели потребления ресурсов.
Энергетический паспорт потребителя ТЭР разрабатывается на основе энергетического обследования, проводимого с целью оценки эффективности использования ТЭР, разработки и реализации энергосберегающих мероприятий.
Энергетический паспорт потребителя ТЭР состоит из следующих разделов:
1) общие сведения о потребителе ТЭР, содержащие информацию о наименовании, реквизитах предприятия, объеме производства продукции, численности персонала и др.;
2) сведения о потреблении ТЭР:
- общее потребление энергоносителей; содержит информацию о годовом потреблении и коммерческом учете потребления всех видов энергоносителей, используемых потребителем ТЭР;
- потребление электроэнергии: содержит информацию о потреблении электроэнергии и о собственном производстве электрической энергии;
- потребление тепловой энергии: содержит информацию о потреблении тепловой энергии и о собственном производстве тепловой энергии;
Методика проведения гидростатического расчета теплосети на основе укрупненных расчетных схем
Под гидравлическим режимом тепловой сети понимается взаимосвязь между расходами и давлениями воды во всех точках тепловой сети в данный момент времени. При рассмотрении стационарных режимов эти параметры принимаются неизменными во времени.
Как уже отмечалось ранее, существующие схемы промышленных тепловых сетей крупных предприятий, как правило, являются чрезвычайно сложными, и получение достоверной информации для расчета по всем объектам и участкам сети является проблематичным. Поэтому целесообразным является построение укрупненной расчетной схемы сети, исходя из следующих принципов:
1. Мелкие потребители, суммарные расходы которых не превышают 10% расхода распределительной сети, к которой они подключены, представляются в виде нагрузок. Нагрузки характеризуются следующими параметрами: суммарное потребление тепла, температура прямой воды, температура обратной воды и расход воды. Указанные параметры характеризуют нагрузки с точки зрения расхода воды и не отражают ее влияния на изменение напора в распределительной сети. Такое допущение является обоснованным, так как удельный вес расхода через нагрузки рассматриваемой категории значительно меньше объема расхода по распределительной сети.
2. Сетевые участки со сложной схемой сетевых соединений, содержащие большое количество маломощных потребителей, рассматриваются как единый эквивалентный потребитель. Сетевые участки характеризуются следующими параметрами: суммарное потребление тепла, температура прямой воды, температура обратной воды, расход воды, напор и геодезическая отметка входа.
3. Крупные потребители сети рассматриваются как таковые и характеризуются следующими параметрами: потребление тепла, температура прямой воды, температура обратной воды, расход воды, напор, утечка воды, диаметр шайбы, базовый эксплуатационный показатель технологической нагрузки и геодезическая отметка входа.
Гидравлический режим тепловой сети определяется характеристиками основных элементов, образующих систему теплоснабжения. Далее рассмотрим основные зависимости, используемые при расчете гидравлического режима [22].
При течении жидкости в трубопроводе имеет место падение напора Д#с, которое представляет собой сумму двух слагаемых: падения напора на прямолинейных участках трубопровода АНд и падения напора в местных сопротивлениях &НМ- Линейное падение напора &НЛ м:
ЬНл = кл-1, (3.1) где кл - удельное падение напора, м/м; I - длина трубопровода, м. Удельное падение напора может с достаточной точностью определяться по формуле: ПЛ-, 9КЭ ,5,25» ) 10у " а где кэ — эквивалентная шероховатость трубопровода (для водяных тепловых сетей в условиях нормальной эксплуатации рекомендуется принимать кэ 0,5 мм); Gc — объемный расход теплоносителя, м3/час, d - внутренний диаметр трубы, м. Удельное падение напора, отнесенное к единице объемного расхода воды, выраженного в кубических метрах в час, называется удельным сопротивлением трубопровода Sy„ м-ч2/(м6-м): sv=h-=VL.h . (з.з) " Gcz 109 d5 25 Удельное сопротивление трубопровода равно падению напора на пря-молинейном участке трубопровода длиной 1 м при расходе воды 1 м /час и при &э= 5-10" м Длина прямолинейного участка трубопровода диаметром d, линейная потеря напора на котором равна потере напора в местных сопротивлениях, называется эквивалентной длиной местных сопротивлений и определяется из выражения:
1Э=Ц -, (3.5)
Л,
где JJi, - сумма коэффициентов местных сопротивлений (безразмерная величина), Я - коэффициент гидравлического трения (безразмерная величина), который с достаточной точностью определяется по формуле:
.X = 0,11-1 1 , (3.6)
где d и / - в метрах.
Суммарное падение напора на участке трубопровода длиной /:
bHc = mjj+kHM hjr{l + l3) Sy{l+l0)-Gc2. (3.7)
Величина Sy(l + 1Э), называемая гидравлическим сопротивлением трубопровода Sc, численно равна потере напора в трубопроводе при расходе воды 1 м /час.
Таким образом, потеря напора в трубопроводах пропорциональна квадрату расхода жидкости и гидравлическая характеристика участка тепловой сети: AHc = Sc-Gc2, (3.8)
где Sc - гидравлическое сопротивление участка сети. Гидравлическая характеристика абонентов (потребителей) аналогична характеристике участков сети:
Hn = SB-G„2i (3.9)
Gn2=Y„-Hn, (ЗЛО)
где Sn — гидравлическое сопротивление потребителя, Yn — гидравлическая проводимость потребителя.
Способ автоматического регулирования расхода тепла в системе центрального отопления здания в условиях большого диапазона изменения параметров теплоносителя
Тепловая энергия, подаваемая на отопление здания, определяется выражением (0 = с-С(0-(Гм(0-Ги(0)- о. (4Л где T0l(t) - текущая температура теплоносителя в прямом трубопроводе системы отопления; t — текущее время; с — удельная теплоемкость теплоносителя; TQ2 (t) текущая температура теплоносителя в обратном трубопроводе системы отопления; G(t) - текущий расход теплоносителя; о - длительность работы. Отсюда принципиально возможны следующие способы регулирования количества тепловой энергии, подаваемой на отопление здания:
1) за счет изменения температуры воды, поступающей в систему отопления тх или разности температур (т1-т2) ,
2) путем изменения расхода сетевой воды G{t);
3) изменением времени подачи тепловой энергии tQ.
В качестве задания (импульса) для САР могут служить температура наружного воздуха (регулирование по основному возмущающему воздействию), температура воздуха в помещении (регулирование по отклонению регулируемого параметра от заданного) либо оба указанных параметра (комбинированное регулирование).
Общим недостатком приведенных выше способов регулирования отопления является то, что в каждом из них ведется регулирование по одному из влияющих факторов (температуре, расходу либо времени), а другие фактор не участвуют в регулировании. При этом изменения неконтролируемых факторов будут вызывать неконтролируемые изменения количества тепловой энергии (/), подаваемой на отопление здания, и снижать точность и эффективность регулирования.
В разработанном в рамках данной работы способе регулирования отпуска тепла в системе центрального отопления здания регулирование температуры в подающем трубопроводе ведется по отклонению фактической тепловой мощности ? (0 отпускаемой на отопление, от требуемой тепловой мощности _ (t), определяемой для текущей температуры воздуха вне здания с учетом температуры воздуха внутри здания. В результате обеспечивается возможность точного и эффективного регулирования отопления здания при изменении параметров теплоносителя (температуры, давления, расхода) в большом диапазоне. Требуемая тепловая мощность отопления здания Qw{t) для текущей температуры воздуха вне здания TK(t) определяется из графика ?тр(7н(0Х получаемого экспериментально. Для повышения точности при регулировании осуществляется коррекция полученного графика тепловой мощности по отклонению температуры воздуха внутри здания от заданного значения: Ор (0 = ( (0)+ , (4.2) где AQjp— величина коррекции тепловой мощности. Фактическая тепловая мощность Qtpit), подаваемая на отопление здания в каждый момент времени, определяется выражением: дф (о = с G(t). (гм (0 - тш (0), (4.3) Управляющее воздействие формируется исходя из условия равенства нулю разности требуемой Q {t) и фактической Q {t) тепловой мощности подаваемой на отопление:
Способ реализуется следующим образом. Прежде всего, экспериментально определяют зависимость требуемой тепловой мощности Q , необходимой для отопления здания, от температуры наружного воздуха Тн и строят график (рис. 4.2, сплошная линия).
При поддержании циркуляции теплоносителя в системе отопления, например, с помощью насоса 1, регулирование температуры теплоносителя TQI в подающем трубопроводе производят путем изменения ее расхода через регулирующий клапан 2 по сигналу микропроцессорного контроллера 3, включающего в себя два регулятора А и Б (например, ПИ-регуляторы) и таймер.
Для этого на первом шаге сравнивают текущее значение таймера с заданным временем цикла регулирования t4 (например =24 ч). В случае, если значение таймера больше либо равно времени цикла регулирования /ч, таймер обнуляется, измеренная при помощи датчика 4 и усредненная за время t4 температура воздуха в помещении сравнивается с заданной и при помощи регулятора А формируется корректирующий сигнал сдвига графика требуемой тепловой мощности Д фис. 4.2, пунктирная линия). В случае, если значение таймера меньше времени цикла t4, то коррекция графика значение таймера меньше времени цикла t4, то коррекция графика требуемой тепловой мощности не производится. Заданную температуру воздуха в помещении устанавливают в зависимости от типа здания на уровне ее комфортных значений.
Далее, измеряют температуру воздуха вне здания датчиком температуры 5, по которой вычисляют текущую требуемую тепловую мощность отопления согласно графику. После чего измеряют температуру теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах датчиками температуры б и 7 соответственно, расход воды через систему отопления датчиком расхода 8. Пропуск клапана 2 устанавливают управляющим сигналом, формируемым регулятором Б по отклонению фактической температуры воды в подающем трубопроводе от требуемой температуры, рассчитанной согласно зависимости (4.6).
Представленный способ автоматического регулирования апробирован в зданиях химводоочистки паросилового цеха ОАО "ММК", г. Магнитогорск, а также в здании Профессионального училища №61, г. Челябинск. Испытания показали его работоспособность.
На представленный способ автоматического регулирования расхода тепла в системе центрального отопления здания автором получен патент Российской Федерации на изобретение №2196274.
Похожие диссертации на Автоматизация управления системами теплоснабжения промышленных объектов при низкотемпературных режимах
