Введение к работе
Актуальность темы. Одной из приоритетных задач государственной энергетической политики на период до 2020 года является разработка эффективных систем управления централизованным теплоснабжением, обеспечивающих на объектах промышленного и гражданского назначения заданное качество теплового режима и экономию топливно-энергетических ресурсов (ТЭР).
В России за 85 лет (начиная с плана ГОЭЛРО) созданы уникальные по своим размерам когенерационные системы преобразования энергии (КСПЭ), позволяющие за счет комбинированной выработки тепловой и электрической энергии и более высокого по сравнению с раздельной выработкой КПД экономить до 30% природных ресурсов.
Следует отметить, что стоимость тепловой энергии в КСПЭ даже с учетом тепловых потерь в тепловых сетях в 1,5 раза меньше, чем у автономно работающих теплоисточников (котельных). Например, в городе Орле стоимость тепловой энергии в КСПЭ составляет 487 руб./Гкал, а в котельных - 912,5 руб./Гкал, поэтому максимальное использование объектами промышленного и гражданского назначения тепловой энергии от КСПЭ обеспечивает заметное снижение затрат на теплоснабжение.
Когенерационная система централизованного теплоснабжения (КСЦТ), как подсистема КСПЭ, изначально предназначалась для обеспечения необходимым количеством тепловой энергии всех объектов промышленного и гражданского назначения, входящих в инфраструктуру города, но этот резерв экономии ТЭР используется не полностью, т.к. наряду с КСЦТ параллельно функционирует множество автономных систем теплоснабжения, работающих от котельных (в г. Орле функционирует более 100 котельных), вследствие чего КСЦТ работает не с полной грузкой.
КСЦТ относится к классу систем с большим (несколько часов) транспортным запаздыванием (ТРЗ). Наиболее полное представление о развитии теории систем управления с ТРЗ дано в работах А.А. Воронова, 1991; СЕ. Душина, 2005; Н.Н. Иващенко, 1973; B.C. Карпова, 1997; А.С. Клюева, 1982, 1990; Л.А.Мелентьева, 1983; М. Месаровича, 1970; О.А.Мухина, 1980; Т.М. Райцина, 1970; В.А.Соколова, 1991, 2001; Е.П. Стефани, 1972; А.И. Суздальцева, 2002, 2004; С.А. Чистовича, 1975, 2008 и др.
КСЦТ относится к системам, характеризующимся разнородными и разнонаправленными показателями качества: температурными (чем больше значение относительного показателя качества, тем лучше); энергетическими и динамическими (чем меньше значение относительного показателя качества, тем лучше) и др. Причем все показатели являются значимыми, поэтому для наиболее объективной оценки систем такого класса возникает необходимость в разработке методологии обобщенной оценки качества таких систем.
КСЦТ имеет ряд особенностей, затрудняющих управление тепловым режимом, в частности, в г. Орле протяженность магистральных и квартальных трубопроводов составляет более 240 км; объем циркулирующего в тепловых сетях теплоносителя превышает 45000 м3, ТРЗ составляет более 4 часов. Расход газа в КСЦТ на нужды теплоснабжения составляет в среднем 1,5 млн. м3/сутки (100 котельных расходуют 0,4 млн. м3/сутки).
Существенным недостатком КСЦТ является неспособность поддерживать заданный тепловой режим (температурный график) в периоды резких (со скоростью более 1 С/ч) изменений температуры наружного воздуха и большое ТРЗ, которое заметно снижает качество теплоснабжения потребителей, и повышает энергетические затраты на управление КСЦТ.
Следует отметить, что фактор запаздывания оказывает заметное влияние на граничные условия, при которых в СУ обеспечивается устойчивый апериодический процесс, что не в полной мере учитывается при создании моделей СУ такого класса.
Для уменьшения влияния ТРЗ на качество управления в технических системах (ТС) используются различные методы. Известен метод компенсации ТРЗ, когда в систему управления вводится упреждение с тем, чтобы управляющие воздействия системы с запаздыванием и без запаздывания совпадали [Р. Бесс, 1970].
При таком методе, применительно к теплоснабжению, важное значение имеет высокая точность прогнозирования температуры наружного воздуха, что трудно осуществимо, поэтому на практике ограничиваются применением приближенных (квазиоптимальных) алгоритмов управления.
Широко известен метод управления тепловым режимом на объектах промышленного и гражданского назначения, заключающийся в многоступенчатой корректировке параметров теплоносителя на контрольно-распределительном пункте (КРП), центральных тепловых пунктах (ЦТП) и индивидуальных тепловых пунктах (ИТП) [С.А. Чистович, 1975, 1987, 2008]. При таком подходе каждая последующая ступень управления осуществляет корректировку теплового режима, установленного предыдущей ступенью.
Реализация такого подхода затрудняется тем, что в периоды резких изменений температуры наружного воздуха система управления, работающая по температурному графику, не может обеспечить заданные параметры теплоносителя у потребителей, расположенных далеко от когенерационного источника (КИ). В эти периоды заметно снижается качество управления тепловым режимом объектов промышленного и гражданского назначения.
Под качеством управления тепловым режимом (согласно правилам технической эксплуатации тепловых энергоустановок) понимается способность системы управления поддерживать заданный температурный график с требуемой точностью. Так, например, в г. Орле отклонение температуры теплоносителя от температурного графика не должно превышать |єт | < 3 С [1].
Саратовским [А.И. Андрющенко, 1997], Ульяновским [В.И. Шарапов, 1999, 2002] государственными техническими университетами и Академическим центром теплоэнергоэф-фективных технологий [С.А.Чистович, 1987, 2008] предложены технологические решения повышения качества теплоснабжения за счет подогрева теплоносителя пиковыми теплоисточниками у конечных потребителей. Однако до настоящего времени они до конца не реализованы, т.к. не разработаны структура и принципы управления комбинированным теплоснабжением объектов промышленного и гражданского назначения.
Таким образом, существует ряд нерешенных научных проблем, в частности:
не сформированы структура и принципы управления комбинированной системой теплоснабжения (КСТ) объектов промышленного и гражданского назначения, уменьшающие влияние ТРЗ на качество управления тепловым режимом в периоды резких изменений температуры наружного воздуха;
отсутствует методология анализа КСТ с разнородными и разнонаправленными единичными показателями качества;
существующие методы исследования динамики СУ КСЦТ не учитывают граничные условия, при которых в СУ обеспечивается устойчивый апериодический процесс, что существенно влияет на алгоритмы управления и качество теплового режима у потребителя.
Объект исследования - системы и способы теплоснабжения объектов промышленного и гражданского назначения.
Предмет исследования - методы и модели исследования и управления процессами и структурами теплоснабжения.
Цель работы - создание научных основ построения и исследования СУ, направленных на повышение качества теплового режима КСТ в периоды резких изменений температуры наружного воздуха и экономию ТЭР.
Достижение цели предполагает решение следующих основных задач:
Провести анализ структур теплоснабжения, методов управления тепловым режимом в КСТ и сформировать стратегию исследований СУ КСТ.
Разработать новые структуру и принципы управления тепловым режимом в КСТ, уменьшающие влияние ТРЗ на качество теплового режима у потребителя в периоды резких изменений температуры наружного воздуха.
Разработать методологию анализа КСТ на основе многокритериальной оценки качества и сформировать на ее базе обобщенный показатель качества СУ.
Разработать графо-параметрический метод исследования динамики СУ КСТ, позволяющий определять с помощью интегральных показателей оценки качества оптимальные параметры настроек регуляторов.
Разработать способы, модели, алгоритмы и средства управления тепловым режимом в подсистемах КСТ, обеспечивающие заданную точность поддержания параметров температурного графика в периоды резких изменений температуры наружного воздуха.
Провести на реально функционирующих объектах экспериментальные исследования отдельных подсистем КСТ с новыми параметрами настройки регуляторов.
Провести сравнительный анализ результатов исследования СУ КСЦТ и СУ КСТ по обобщенному показателю качества.
Выполнить расчеты технико-экономической эффективности СУ КСТ.
Научная новизна диссертационной работы состоит в разработке нового подхода к построению и исследованию СУ КСТ, содержащего совокупность взаимосвязанных научных элементов, в частности:
1 Разработанную новую структуру КСТ и новые принципы построения подсистем
управления тепловым режимом в КСТ, заключающиеся в следующем:
-
Основой структуры КСТ является независимое подключение локальных контуров с пиковыми теплоисточниками к главному контуру через теплообменные станции с дозированным уровнем отпуска тепловой энергии и непосредственное подключение пиковых теплоисточников к объектам промышленного и гражданского назначения.
-
Структура СУ КСТ представляется трехуровневой. На нижнем (первом) уровне сосредоточены подсистемы управления тепловым режимом у потребителей, на среднем (втором) уровне - подсистемы управления тепловым режимом в локальных контурах с пиковыми теплоисточниками, на верхнем (третьем) уровне - подсистема централизованного управления, обеспечивающая контроль, мониторинг и принятие решений по всему комплексу вопросов теплоснабжения.
-
Подсистемы второго уровня строятся на следующих принципах управления:
первый принцип базируется на алгоритме в виде изменяющейся во времени функции температурного графика с учетом пиковых возмущений температуры наружного воздуха и транспортных запаздываний теплоносителя с критерием оптимизации, минимизирующим отклонение температуры теплоносителя на входе потребителя в пределах допустимой погрешности min А0Т < єЗАД ;
второй принцип базируется на нечеткой упреждающей модели, основанной на представлении параметров в виде лингвистических переменных с нечеткими подмножествами (L — R)- типа с функциями принадлежности в виде унимодальных и толерантных нечетких чисел.
-
Разработанную методологию анализа КСТ, основанную на теории квалиметрии, с использованием аддитивного метода объединения относительных разнородных показателей качества единичных свойств системы в обобщенный показатель оценки качества, отличающуюся минимизацией целевой функции обобщенного показателя качества и использованием весовых коэффициентов и экспертных оценок для определения значимости единичных свойств СУ.
-
Разработанный графо-параметрический метод исследования динамики СУ КСТ, основанный на операторном представлении модели управления, прямом и обратном преобразованиях Лапласа, построении временных характеристик переходного процесса с помощью вьшислительных систем «MathCAD», «MathLAB», «LabVJEW», анализе устойчивости по критерию Рауса, оценке переходного процесса с помощью интегрального квадратического
показателя качества и интегрального показателя минимума энергетических затрат с использованием для оценки энергетических затрат принципа максимума Л.С. Понтрягина.
4 Разработанные способы, модели, алгоритмы и средства управления тепловым режимом в КСТ, обеспечивающие заданную точность поддержания параметров температурного графика при минимальных энергетических затратах, защищенные 4 авторскими свидетельствами [18. ..21] и 10 патентами РФ на изобретения и полезные модели [22. ..31].
Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью использования теоретических положений и методов, корректностью постановки задач при проведении исследований, согласованностью результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными на реально функционирующих объектах.
Как совокупный результат выполненной автором диссертационной работы на защиту выносятся следующие научные положения:
Новые структура и принципы управления тепловым режимом в подсистемах КСТ.
Методология анализа КСТ по обобщенному показателю качества.
Графо-параметрический метод исследования динамики подсистем управления КСТ.
Модели, способы, алгоритмы и средства управления тепловым режимом в подсистемах управления КСТ.
Результаты экспериментальных исследований отдельных подсистем КСТ.
Практическая значимость работы
Использование новых подсистем и моделей управления тепловым режимом в локальных контурах с пиковыми теплоисточниками позволяет организовать оптимальную структуру управления КСТ.
Применение полученных параметров настройки контроллера управления тепловым режимом в активном режиме подогрева теплоносителя с алгоритмом в виде изменяющейся во времени функции температурного графика позволяет учитывать пиковые возмущения температуры наружного воздуха и ТРЗ.
Результаты экспериментальных исследований отдельных подсистем КСТ, полученные на реальных объектах, подтверждают возможность функционирования КСТ с новыми параметрами настройки контроллера.
Реализация результатов работы
На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований на реально функционирующих объектах муниципального унитарного производственного предприятия (МУПП) «Орелгортеплоэнерго» реализованы разработанные автором алгоритмы управления тепловым режимом в подсистемах управления КСТ. Ежегодный экономический эффект (за счет уменьшения расхода газа) составляет 52 млн. руб. (подтверждено актом внедрения).
По результатам исследований, выполненных автором, в ЗАО «ОРЛЭКС» выпущена опытная партия регуляторов температуры РТ-2512, параметры которых определены графо-параметрическим методом с помощью специально разработанного автором пакета прикладных программ Фортран 4 CL. Место хранения ИВЦ ЗАО «ОРЛЭКС». Регуляторы обеспечивают экономию тепловой энергии 7% (подтверждено актами внедрения).
Ежегодный экономический эффект от реализации новых алгоритмов управления и оптимизации параметров настроек регуляторов на объектах Орловского отделения территориального фонда обязательного медицинского страхования (ТФОМС) составляет (за счет уменьшения расхода газа) 52 млн. руб. (подтверждено актами внедрения).
Диссертационная работа выполнена в рамках проекта НК-66П «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии».
Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненных по теме диссертации, доложены на: III Международном семинаре «Компьютеризация и автоматизация,
учет электрической и тепловой энергии». Санкт-Петербург, 13-16 ноября 2003; III Международной специализированной выставке-семинаре «Энергосбережение в ЖКХ». Автоматизированные системы учета, контроля и управления в ЖКХ. Санкт-Петербург, 25-27 мая 2004; III Международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век». Орел, 16-18 апреля 2005; II Международной научно - практической конференции «Энергетика и электротехника 2005». Автоматизация в промышленности. Санкт-Петербург, 17-20 мая 2005; VМеждународной научно-практической интернет-конферен-ции «Энерго- и ресурсосбережение -XXI век». Орел, 14-16 апреля 2006; IV Всероссийской научно-технической конференции «Автоматическое управление технологическими процессами». Санкт-Петербург, 12-15 декабря 2007; VI Международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век». Орел, 12-14 апреля 2007; III Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве». Орел, 24-25 апреля, 2008; XVII Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации». Алушта, 18-25 сентября 2008; IX Международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век». Орел, 20-22 апреля 2010; IV Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве». Орел, 22-23 апреля, 2010.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 67 печатных работ, в том числе 2 монографии, 15 публикаций в рецензируемых научно-технических журналах, рекомендованных ВАК РФ, 4 авторских свидетельства, 5 патентов на изобретение, 5 патентов на полезную модель, 36 публикаций в журналах и сборниках международных и всероссийских конференций.
Личный вклад автора заключается в разработке: новой структуры КСТ и новых принципов построения подсистем управления тепловым режимом в КСТ, методологии анализа КСТ; графо-параметрического метода исследования динамики СУ КСТ; способов, моделей, алгоритмов и средств управления тепловым режимом в КСТ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 227 наименований, изложена на 300 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков, 42 таблицы и 11 приложений.
